2 Wyznaczanie zapotrzebowanie na moc i energię

advertisement
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
SPIS TREŚCI
1 ZAŁOŻENIA I WPROWADZENIE......................................................................................................................... 5
2 WYZNACZANIE ZAPOTRZEBOWANIE NA MOC I ENERGIĘ ................................................................................. 6
2.1 OBLICZENIE ZAPOTRZEBOWANIA NA CIEPŁA DO OGRZEWANIA ....................................................................................... 6
2.1.1 Dane wejściowe - brzegowe wartości temperaturowe ............................................................................. 6
2.1.2 Określenie strat ciepła ............................................................................................................................... 9
2.1.3 Określenie zysków ciepła ......................................................................................................................... 10
2.1.4 Zapotrzebowania na energię do ogrzewania .......................................................................................... 12
2.2 OBLICZENIE PROJEKTOWEGO OBCIĄŻENIA CIEPLNEGO BUDYNKU - MOC SZCZYTOWA ........................................................ 13
2.3 ZAPOTRZEBOWANIE NA ENERGIĘ I MOC NA POTRZEBY CIEPŁEJ WODY UŻYTKOWEJ............................................................ 14
2.3.1 Obliczenie zapotrzebowania na ciepło do przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) ................... 14
2.3.2 Moc szczytowana do przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.).................................................... 15
2.4 NORMATYWNE ZAPOTRZEBOWANIA CIEPLNE W ZALEŻNOŚCI DO ROKU BUDOWY ............................................................. 16
2.4.1 Możliwości termomodernizacyjne ........................................................................................................... 18
3 OBLICZANIA ZAPOTRZEBOWANIA CIEPLNEGO W KALKULATORZE ENERGETYCZNYM .....................................22
3.1 METODYKA WYZNACZANIA ZAPOTRZEBOWANIA NA MOC I ENERGIĘ CIEPLNĄ DO OGRZEWANIA BUDYNKÓW .......................... 22
3.2 METODYKA WYZNACZANIA MOCY I ENERGII CIEPLNEJ DLA PRZYGOTOWANIA CIEPŁEJ WODY UŻYTKOWEJ............................... 28
3.3 METODYKA WYZNACZANIA CIEPŁA DLA CELÓW TECHNOLOGICZNYCH ............................................................................ 29
4 OPRACOWANIE OPROGRAMOWANIA UŻYTKOWEGO DLA ZARZĄDZANIA ENERGIĄ W OBIEKTACH
ADMINISTROWANYCH PRZEZ JST .........................................................................................................................30
4.1 ZAŁOŻENIA FUNKCJONALNE PROGRAMU ................................................................................................................. 30
4.2 APLIKACJA ........................................................................................................................................................ 32
5 KORZYŚCI Z ZASTOSOWANIA KALKULATORA ENERGETYCZNEGO ....................................................................48
5.1 PODSTAWOWE DANE O OBIEKCIE .......................................................................................................................... 48
5.2 POPRAWA EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ ............................................................................................................. 49
5.3 EFEKT EKOLOGICZNY ........................................................................................................................................... 49
5.3.1 W wyniku przeprowadzenia działań termomodernizacyjnych ................................................................ 49
5.3.2 W wyniku zainstalowania kolektorów słonecznych na potrzeby c.w.u. .................................................. 50
5.4 EFEKT EKONOMICZNY ......................................................................................................................................... 51
5.4.1 W wyniku przeprowadzenia działań termomodernizacyjnych ................................................................ 51
5.4.2 W wyniku zainstalowania kolektorów słonecznych na potrzeby c.w.u. .................................................. 53
2
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
SPIS TABEL
Tabela 2.1
Tabela 2.2
Tabela 2.3
Tabela 2.4
Tabela 2.5
Tabela 2.6
Tabela 2.7
Tabela 2.8
Tabela 2.9
Tabela 2.10
Tabela 2.11
Tabela 2.12
Tabela 3.1
Tabela 3.2
Tabela 3.3
Tabela 3.4
Tabela 4.1
Tabela 4.2
Tabela 4.3
Tabela 4.4
Tabela 5.1
Tabela 5.2
Tabela 5.3
Tabela 5.4
Tabela 5.5
Tabela 5.6
Tabela 5.7
Tabela 5.8
Tabela 5.9
Tabela 5.10
Tabela 5.12
Obliczeniowa temperatura zewnętrzna i średnioroczna w zależności od strefy klimatycznej ............... 7
Średnie temperatury miesięczne oraz ilość dni sezonu grzewczego dla wybranych stacji
zlokalizowanych na obszarze województwa pomorskiego..................................................................... 8
Normatywne temperatury wewnętrzne w zależności od rodzaju pomieszczenia ................................. 8
Normatywne temperatury wewnętrzne dla typowych pomieszczeń..................................................... 9
Średnia moc jednostkowa wewnętrznych zysków ciepła w odniesieniu do powierzchni dla wybranych
rodzajów budynku [11] ......................................................................................................................... 12
Jednostkowe dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę oraz współczynnik korekcyjny [11] ............. 15
Zapotrzebowania cieplne budynków w zależności od roku oddania do użytkowania ......................... 16
Maksymalna wartość współczynnika przenikania w zależności od rodzaju przegrody po zmianach wg
[10] dla wszystkich rodzajów budynków .............................................................................................. 17
Maksymalna wartość EP na potrzeby ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody
współczynnika po zmianach wg [10] w zależności od rodzaju budynku .............................................. 17
Zamiany struktury zużycia energii w gospodarstwach domowych wg kierunków użytkowania [15] .. 19
Procentowy rozkład strat ciepła w zależności dla budynku mieszkalnego ........................................... 19
Średnioprocentowe obniżenie zużycia ciepła w zależności od rodzaju prac modernizacyjnych.......... 20
Parametry budynków wykorzystane w badaniach ............................................................................... 23
Dane wejściowe wykorzystywane do obliczenia zużycia ciepła ........................................................... 26
Porównanie zużycia ciepła budynku rzeczywistego z referencyjnym - założenia ................................ 27
Współczynniki równoczesności użycia wody ........................................................................................ 28
Podstawowe cechy obiektu .................................................................................................................. 30
Zdefiniowane rodzaje odbiorcy ............................................................................................................ 35
Definicja kategorii odbiorców ............................................................................................................... 36
Zdefiniowane rodzaje energii ............................................................................................................... 37
Podstawowe dane wymagane o obiekcie w kalkulatorze energetycznym........................................... 48
Porównanie energii użytkowej oraz zużycia paliwa na ogrzewanie - stan istniejący i poszczególne
warianty modernizacji .......................................................................................................................... 49
Wielkość poszczególnych emisji dla stanu aktualnego i rozważanych wariantów termomodernizacji 49
Porównanie energii użytkowej oraz zużycia paliwa na potrzeby c.w.u. - stan istniejący oraz
w wariancie z wykorzystaniem kolektorów słonecznych ..................................................................... 50
Wielkość emisji CO2 dla stanu aktualnego oraz przy wykorzystaniu kolektora słonecznego na potrzeby
c.w.u. .................................................................................................................................................... 50
Podstawowe parametry wykorzystane do obliczenia efektu ekonomicznego ..................................... 51
Wskaźniki efektywności ekonomicznej przedsięwzięcia termomodernizacyjnego .............................. 52
Wyniki analizy wrażliwości efektu ekonomicznego przedsięwzięcia termomodernizacyjnego ze
względu na poziom dofinansowania projektu ze środków publicznych. .............................................. 53
Podstawowe parametry wykorzystane do obliczenia efektu ekonomicznego przy zastosowaniu
kolektora słonecznego .......................................................................................................................... 53
Wskaźniki efektywności ekonomicznej przedsięwzięcia - zainstalowanie kolektorów słonecznych na
potrzeby c.w.u. ..................................................................................................................................... 54
Wyniki analizy wrażliwości efektu ekonomicznego przedsięwzięcia obejmującego zainstalowanie
kolektorów słonecznych na potrzeby c.w.u., ze względu na poziom dofinansowania projektu ze
środków publicznych ............................................................................................................................ 54
SPIS RYSUNKÓW
Rysunek 2.1
Rysunek 2.2
Rysunek 2.3
Rysunek 2.4
Rysunek 2.5
Rysunek 3.1
Schemat postępowania w celu określenia zapotrzebowania na ciepło ................................................. 6
Podział terytorium Polski na strefy klimatyczne ..................................................................................... 7
Projektowe obciążenie cieplne na podstawie normy [1]...................................................................... 14
Zmiana jednostkowego zapotrzebowania cieplnego budynku w podziale na rok budowy ................. 18
Struktura zużycia energii w gospodarstwach domowych według kierunków użytkowania [15] ......... 18
Szczytowe zapotrzebowanie mocy cieplnej dla budynku o przeznaczonym wykorzystaniu w zależności
od całkowitej powierzchni budynku z uwzględnieniem roku budowy ................................................. 25
Rysunek 3.2 Jednostkowe zużycie energii cieplnej w funkcji powierzchni budynku dla obiektów wybudowanych
przez 1970 rokiem ................................................................................................................................ 27
Rysunek 4.1 Schemat zarządzania energią przy wykorzystania kalkulatora energetycznego .................................. 32
3
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Rysunek 4.2 Koncepcja programu............................................................................................................................. 34
Rysunek 4.3 Schemat relacyjny częściowy związany z odbiorcami .......................................................................... 38
Rysunek 4.4 Jednostki podziału terytorialnego na podstawie danych z GUS ........................................................... 39
Rysunek 4.5 Relacje rodzaju odbiorcy a dane krzywych nagrzewania CO ................................................................ 40
Rysunek 4.6 Definicja lokalizacji ............................................................................................................................... 41
Rysunek 4.7 Schemat powiązań palenisk i danych źródeł ........................................................................................ 42
Rysunek 4.8 Schemat definicji źródła energii ........................................................................................................... 43
Rysunek 4.9 Relacje zapotrzebowanie ...................................................................................................................... 44
Rysunek 4.10 Relacje ZuzyciaPaliwEmisje................................................................................................................... 45
Rysunek 4.11 Pełen schemat relacyjny bazy danych .................................................................................................. 46
Rysunek 5.1 Zmiana wielkości emisji w zależności od zrealizowanych działań termomodernizacyjnych ................ 50
Rysunek 5.2 Zmiany wartości bieżącej netto (NPV) przedsięwzięcia termomodernizacyjnego w zależności od
wielkości uzyskanego dofinansowania ................................................................................................. 53
Rysunek 5.3 Zmiany wartości bieżącej netto (NPV) przedsięwzięcia zainstalowanie kolektorów słonecznych w
zależności od wielkości uzyskanego dofinansowania ........................................................................... 55
Rysunek 5.3 Zmiany wartości bieżącej netto (NPV) przedsięwzięcia zainstalowanie kolektorów słonecznych w
zależności od wielkości uzyskanego dofinansowania ......................... Błąd! Nie zdefiniowano zakładki.
4
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
1 Założenia i wprowadzenie
Celem projektu jest wsparcie Jednostek Samorządu Terytorialnego w zakresie efektywnego zarządzania
obszarem energetyki i środowiska na terenie gminy, poprzez opracowanie i pilotażowe wdrożenie na terenie Gminy
Miastko narzędzi informatycznych, pozwalających na zarządzanie gminnymi zasobami pod kątem zużycia energii,
paliw i mediów, emisji zanieczyszczeń oraz efektywności ekonomicznej energomodernizacji.
Niniejsze opracowanie zostało wykonane w ramach umowy nr WFOŚ/D/803/52/2015 dotyczącej pracy pt.
„Kalkulator energetyczny dla Jednostek Samorządu Terytorialnego". Praca składa się z trzech etapów:
Etap I:
Opracowanie wytycznych dla szacowania zapotrzebowania na moc i energię w oparciu o ograniczone
dane techniczne budynków i instalacji
Etap składa się z dwóch części. W pierwszej części przedstawiono najważniejsze pojęcia dotyczące
obliczeń zapotrzebowania na moc i zużycie energii cieplnej. Przedstawiono w rozdziale 2 definicje oraz
schemat obliczeń w uproszczony sposób, tak aby był zrozumiały dla osób niezwiązanych z branżą
ciepłowniczą, energetyczną. W rozdziale 3 przedstawiono metodykę zastosowaną do obliczenia zużycia
na energię, która została zaimplementowana w programie.
W drugiej części etapu opracowano koncepcję dla uproszczonego szacowania zapotrzebowania na moc
i energię przy wykorzystaniu ograniczonych danych technicznych budynku i instalacji cieplnych.
Założenia zostały przedstawione w rozdziale 4.1.
Etap II:
Opracowanie oprogramowania użytkowego dla zarządzania energią w obiektach administrowanych przez
JST
W ramach etapu II opracowano aplikację dla zarządzania energią. Opis programu został przedstawiony
w rozdziale 4.2.
Etap III: Wdrożenie oprogramowania w Gminie Miastko
W trzecim etapie pracy na podstawie danych pozyskanych przede wszystkim z Gminy Miastko
dotyczących technicznych parametrów budynków oraz danych eksploatacyjnych dotyczących
rzeczywistego
zużycia
energii/paliw
iteracyjnie
zaadoptowano
silnik
obliczeniowy.
Podczas
opracowywania programu podlegał on ewolucji pod kątem użytkowania, m. in. wprowadzania danych
przez użytkownika oraz efektywności działania programu i prezentacji danych obliczeniowych. Do
programu została napisana instrukcja obsługi.
Wykorzystanie kalkulatora energetycznego prowadzi do poprawy efektywności energetycznej i redukcja
emisji zanieczyszczeń poprzez aktywne zarządzanie energią i inwestycjami w obszarze budownictwa. Kalkulator
energetyczny nie przyczynia się bezpośrednio do uzyskania zamierzonych efektów potencjalnych działań. Jest
narzędziem informatycznym wspierających JST w zakresie inwestycyjnego i bezinwestycyjnego ograniczania
zużycia energii i emisji zanieczyszczeń, poprzez identyfikację potencjalnych przyczyn ponadnormatywnego
zużycia. Wykorzystanie kalkulatora pozwoli potencjalnemu użytkownikowi wybrać optymalne rozwiązania
z punktu widzenia poprawy efektywności energetycznej, efektu ekologicznego oraz ekonomicznego. W rozdziale 5
przedstawiono wykorzystanie kalkulatora energetycznego, w celu oszacowania potencjalnych korzyści dla
typowego domku jednorodzinnego zlokalizowanego w Gminie Miastko.
5
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
2 Wyznaczanie zapotrzebowanie na moc i energię
W rozdziale przedstawiono podstawowe informacje z podaniem odpowiednich norm w celu obliczenia
zapotrzebowania na ciepło wykorzystywane w celach grzewczych oraz przygotowania ciepłej wody.
2.1 Obliczenie zapotrzebowania na ciepła do ogrzewania
Zapotrzebowanie na ciepło jest podstawowym parametrem charakteryzującym jakość energetyczną budynku.
Uzależnione jest przede wszystkim izolacyjnością cieplną zastosowaną w budynku oraz intensywnością wymiany
powietrza. Czynniki zewnętrzne wpływające na potrzeby energetyczne to głównie temperatura powietrza
zewnętrznego oraz nasłonecznienie. Metodykę obliczeń zapotrzebowania na moc i energię oraz warunki brzegowe
określają odpowiednie normy.
Dane wykorzystywane do obliczenia zapotrzebowania na ciepło określa sie na podstawie dokumentacji
budowlanej lub obmiaru budynku oraz przyjmuje się standartowe warunki brzegowe, m.in. standartowe warunki
klimatyczne, zdefiniowany sposób eksploatacji, temperaturę wewnętrzną i wewnętrzne zyski ciepła itp. Obliczenia
zapotrzebowania na ciepło wykonuje się za pomocą bilansu, gdzie uwzględniane są straty ciepła i zyski ciepła
w obszarze budynku. Ogólny proces obliczeń sezonowego zapotrzebowania na ciepła przedstawiono na rysunku 2.1.
Rysunek 2.1
Schemat postępowania w celu określenia zapotrzebowania na ciepło
2.1.1 Dane wejściowe - brzegowe wartości temperaturowe
Strefy klimatyczne i wyznaczenie obliczeniowej temperatury zewnętrznej
Według normy [1] Polska jest podzielona na pięć stref klimatycznych (rysunek 2.2). Wszystkie instalacje oraz
urządzenia wykorzystywane do ogrzewania budynku powinny mieć szczytową moc cieplną obliczoną zgodnie z
Polskimi Normami dotyczącymi obliczenia zapotrzebowania na ciepło. Przy obliczeniu szczytowej mocy cieplnej
przyjmuje się temperatury obliczeniowe zewnętrzne uwzględnieniem podziału Polski na strefy klimatyczne
6
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
(patrz 2.2). Dla każdej strefy przyjmuje się projektowe temperatury obliczeniowe powietrzna na zewnątrz budynku,
tabela 2.1.
Rysunek 2.2
Podział terytorium Polski na strefy klimatyczne
Tabela 2.1
Obliczeniowa temperatura zewnętrzna i średnioroczna w zależności od strefy klimatycznej
Strefa klimatyczna
I
II
III
IV
V
Temperatura zewnętrzna
°C
-16
-18
-20
-22
-24
Temperatura średnioroczna
°C
7,7
7,9
7,6
6,9
5,5
Stopniodni
Liczba stopniodni jest to iloczyn liczby dni ogrzewania i różnicy pomiędzy średnią temperaturą zewnętrzną,
temperatur wewnętrzną ogrzewanego pomieszczenia i można wyliczyć z zależności:
ś
∗
gdzie:
liczba stopniodni, suma wartości dla miesięcy grzewczych
projektowa temperatura wewnętrzna pomieszczenia ogrzewanego (tabela 2.3)
ś
średnia wieloletnia temperatura powietrza zewnętrznego w m-tym miesiącu
liczba dni ogrzewania w m-tym miesiącu
Do obliczeń należy przyjąć dane podane dla najbliższej położonej stacji meteorologicznej (wykaz stacji [17]) lub
lokalne dane pogodowe z wielolecia, np.: z ciepłowni.
7
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Stacje meteorologiczne rejestrują wybrane dane pogodowe co godzinę, m.in.: temperatura, prędkość i kierunek
wiatru, opady, nasłonecznienie. Aktualnie dostępne są dane z około 60 stacji, które dysponują danymi z 30 ostatnich
lat. Wykorzystanie danych z wielolecia, pozwala na uzyskanie wyników bardziej miarodajnych, ze względu na
zastosowanie danych niezależne od warunków pogodowych danego konkretnego rok. Wadę wykorzystania tych
danych jest brak uwzględnienia lokalnych warunków, które mogą się znacznie różnić w stosunku do położenia stacji
meteo.
W tabeli 2.2 przestawiono przykładowe średnie temperatury miesięczne oraz ilość dni sezonu grzewczego dla
wybranych stacji meteo zlokalizowanych na obszarze województwa pomorskiego.
Tabela 2.2
Stacje meteo
Średnie temperatury miesięczne oraz ilość dni sezonu grzewczego dla wybranych stacji
zlokalizowanych na obszarze województwa pomorskiego
Miesiące
temp.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
-0,4
-0,3
3,3
31
28
-1,6
11
12
5,9
10,8
14,7
17,0
17,3
13,2
10,0
2,6
0,1
31
30
20
0
0
0
10
31
30
31
-1,5
1,4
6,0
11,0
15,4
16,7
16,3
12,8
8,6
4,1
0,5
31
28
31
30
20
0
0
0
10
31
30
31
-3,2
-2,7
0,6
5,9
11,4
15,5
16,5
16,0
12,3
7,6
2,7
-1,0
31
28
31
30
10
0
0
0
5
31
30
31
Łeba
Ilość dni
temp.
Lębork
Ilość dni
temp.
Chojnice
Ilość dni
Istnieją też metody pozwalające na rzeczywiste obliczenie sezonu grzewczego. W tym przypadku rzeczywisty sezon
grzewczy obejmuje tylko te dni, w których ogrzewanie jest wykorzystywane. Sposób obliczenia został
przedstawiony w PN-EN ISO 13790 [2].
Projektowa temperatura wewnętrzna
Projektowa temperatura wewnętrzna to temperatura operacyjna, czyli średnia arytmetyczna z wartości
temperatury powietrza wewnętrznego i średniej temperatury promieniowania, w centralnym miejscu pomieszczenia
ogrzewanego stosowana do obliczeń strat ciepła. W tabeli 2.3 przedstawiono na podstawie [8] normatywne
temperatury w zależności od rodzaju pomieszczenia.
Tabela 2.3
Normatywne temperatury wewnętrzne w zależności od rodzaju pomieszczenia
Typ pomieszczenia
Temperatura wewnętrzna °C
przeznaczone do rozbierania np.: łazienki, rozbieralnie-szatnie, umywalnie, natryskownie, hale
pływalni, sale niemowląt i sale dziecięce w żłobkach,
+24°C
przeznaczone na stały pobyt ludzi bez okryć zewnętrznych, niewykonujących w sposób ciągły
pracy fizycznej, np: pokoje mieszkalne, przedpokoje, kuchnie indywidualne wyposażone w
paleniska gazowe lub elektryczne, pokoje biurowe
+20°C
w których nie występują zyski ciepła, przeznaczone na pobyt ludzi: sale widowiskowe bez
szatni, hale produkcyjne, sale gimnastyczne,
+16°C
w których nie występują zyski ciepła, przeznaczone do stałego pobytu ludzi, znajdujących się w
okryciach zewnętrznych lub wykonujących pracę fizyczną o wydatku energetycznym powyżej
300 W, np.: magazyny i składy wymagające stałej obsługi, hole wejściowe, poczekalnie przy
salach widowiskowych bez szatni,
w których występują zyski ciepła od urządzeń technologicznych, oświetlenia itp., wynoszące od
10 do 25 W na 1 m3 kubatury pomieszczenia, np.: hale pracy fizycznej o wydatku
energetycznym powyżej 300 W, hale formierni, maszynownie chłodni, ładownie akumulatorów,
hale targowe, sklepy rybne i mięsne
+12°C
w których nie występują zyski ciepła, a jednorazowy pobyt osób znajdujących się w ruchu i w
okryciach zewnętrznych nie przekracza 1 h, np.: klatki schodowe w budynkach mieszkalnych
w których występują zyski ciepła od urządzeń technologicznych, oświetlenia itp., przekraczające
25 W na 1 m3 kubatury pomieszczenia, np.: pomieszczenie gdzie wykorzystuje się obróbkę
cieplną, hale sprężarek, pompownie, itp.
+8°C
nieprzeznaczone na pobyt ludzi, mp.: garaże, hale postojowe
przemysłowe – podczas działania ogrzewania dyżurnego (jeżeli pozwalają na to względy
technologiczne)
+5°C
W tabeli 2.4 przedstawiono orientacyjne projektowe temperatury wewnętrzne dla typowych pomieszczeń [1].
8
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Tabela 2.4
Normatywne temperatury wewnętrzne dla typowych pomieszczeń
Temperatura
wewnętrzna °C
Typ pomieszczenia
Łazienka
+24°C
Biura, sale konferencyjne, audytorium, kawiarnia/restauracja, sala lekcyjna, złobek, budynek mieszkalny
+20°C
Muzeum/galeria, sklep
+16°C
Kościół
+15°C
2.1.2 Określenie strat ciepła
Całkowite straty ciepła stanowią sumę strat na pokrycie zapotrzebowania na ciepło wszystkich pomieszczeń
w budynku. Straty ciepła można podzielić na: straty ciepła na przenikanie oraz związane z wentylacja:
+
gdzie:
straty ciepła przez przenikanie
straty ciepła przez wentylację
Straty ciepła przez przenikanie
Obliczenie strat ciepła przez przenikanie należy wyliczyć na podstawie normy PN-EN 12831:2006. Zgodnie
z zapisami normy straty ciepła przez przenikanie pomieszczenia ogrzewanego polega na przemnożeniu
sumowanych współczynników projektowych strat ciepła przez projektową różnicę temperatur zewnętrznej
i wewnętrznej. Można to wyliczyć z zależności:
∗(
−
)
gdzie:
współczynnik strat ciepła budynku
temperatura wewnętrzna pomieszczenia ogrzewanego (tabela 2.3)
średnia temperatura zewnętrzna, np.: dla określonego miesiąca w sezonie grzewczym (tabela 2.2) w
zależności od lokalizacji budynku
Współczynnik strat ciepła przez przenikanie zależy od wszystkich elementów budynku, z którymi ma styczność.
Jest on sumą współczynników strat ciepła wszystkich elementów obudowy budynku, np.: ścian zewnętrznych,
okien, dachów, stropodachów, podłogi na gruncie. Wartość współczynnika strat ciepła dla budynku wynika m.in. z:
•
powierzchni przegrody [m2], która jest wyliczana na podstawie wymiarów zewnętrznych, czyli wymiarów
mierzonych po zewnętrznej stronie budynku;
•
współczynnika przenikania ciepła [W/m2*K] przez przegrody pomiędzy przestrzenią ogrzewaną
i otoczeniem;
Do obliczeń w przypadku przegród nieprzezroczystych wykorzystuje się normę PN-EN ISO 6946 [3]; do
przezroczystych (okna, drzwi) przyjmuje się dane wg Aprobaty technicznej lub zgodnie z normą wyrobu
PN-EN 14351-1 [4]. Dla podłogi można wykonać obliczenia wg wersji uproszonej przedstawionej
w normie PN-EN 12831 [1] lub wg metody dokładnej - norma PN-EN ISO 13370 [5].
•
uwzględnienia mostków cieplnych, np.: połączenia balkonu ze stropem. Obliczenia należy wykonać wg
normy PN-EN ISO 14683 [6].
9
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
W zależności od lokalizacji pomieszczenia w budynku lub gdy analizujemy cały budynek straty ciepła przez
przenikanie można podzielić na:
•
współczynnik strat ciepła przez przenikanie z pomieszczenia ogrzewanego do otoczenia przez
przegrodę, np.: ściany, drzwi, okna, stropy;
•
współczynnik strat ciepła od pomieszczeń nieogrzewanych, tj. straty przez przenikanie jeżeli
pomieszczenie ogrzewane od otoczenia jest oddzielone przestrzenią nieogrzewaną;
•
współczynnik strat ciepła do gruntu;
•
współczynnik strat pomieszczeń ogrzewanych sąsiadujących z pomieszczeniem ogrzewanym do
znacząco różnej temperatury.
Dokładne obliczenie w/w współczynników strat ciepła zostało przedstawione w normie [1].
Straty ciepła przez wentylację
Straty ciepła przez wentylacją na podstawie normy PN-EN 12831:2006 można wyliczyć z zależności:
=
∗(
−
) =
∗
∗
∗(
−
)
gdzie:
Η
współczynnik wentylacyjnej straty ciepła;
V
strumień objętości powietrza wentylacyjnego pomieszczenia ogrzewanego;
gęstość powietrza w temperaturze
ciepło właściwe w temperaturze
temperatura wewnętrzna pomieszczenia ogrzewanego (tabela 2.3)
średnia temperatura zewnętrzna, np.: dla określonego miesiąca w sezonie grzewczym (tabela 2.2) w
zależności od lokalizacji budynku
Przyjmując dla uproszczenia, że ,
są wielkościami stałymi, wyrażenie przyjmuje postać:
= 0,34 ∗ (
−
)
Ogólnie wielkość strat ciepła przez wentylację zależy od różnicy temperatur zewnętrznej i wewnętrznej oraz
wielkości strumienia objętości powietrza wentylacyjnego. Sposób obliczeń uwarunkowany jest również od tego czy
w danym pomieszczeniu/budynku jest instalacja wentylacyjna.
Jeżeli instalacja nie jest określona, do obliczenia wentylacyjnych strat ciepła przyjmuje się budynek z wentylacją
naturalną. Obecnie w przypadku wentylacji naturalnej, jako wartość strumienia powietrza wentylacyjnego
przyjmuje się wartość większą z następujących dwóch wielkości: strumienia powietrza na drodze infiltracji #$
oraz minimalnej wartości strumienia powietrza wentylacyjnego, wymaganej ze względów higienicznych
=
&'(
% #.
#$ , % # )
W budynkach z instalacją wentylacyjną strumień powietrza infiltrujący do powietrzni grzewczej określa sie na
podstawie projektu instalacji. Szczegółową metodykę obliczeniową w zależności sposobu wentylacji przedstawia
norma [1].
2.1.3 Określenie zysków ciepła
Zyski ciepła dzielą się na wewnętrzne i zewnętrzne. Do typowych zysków ciepła zaliczamy:
•
zyski zewnętrzne: zyski od nasłonecznienia;
•
zyski wewnętrzne: od ludzi, oświetlenia oraz innych urządzeń znajdujących się w budynku.
10
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Całkowite zyski ciepła można określić równaniem:
*#
=
+,-
+
#
gdzie:
zyski ciepła od nasłonecznienia
+,-
wewnętrzne zyski ciepła
#
Zyski ciepła od nasłonecznienia
Zewnętrzne zyski ciepła generowane są przez promienienie słoneczne oraz różnicę temperatur po obu stronach
przegrody. Można je rozpatrywać w dwóch kategoriach:
•
od nasłonecznienia przez przegrody nieprzezroczyste;
•
od nasłonecznienia przez przegrody przezroczyste.
W wyniku promieniowania słonecznego padające na zewnętrzne powierzchnie przegród budowlanych (ściany
zewnętrzne, stropodachy) następuje wzrost ich temperatury. Ciepło jest przekazywane do pomieszczenia w drodze
przewodzenia. Jednak zyski te w obliczeniach są często pomijane.
W przypadku zysków od nasłonecznienia przez przegrody przezroczyste całkowity strumień ciepła padający
na powierzchnię okna (w świetle muru) w przegrodzie o danej orientacji będzie zależy m.in. od:
•
udziału powierzchni przeszklonej w całkowitej powierzchni okna;
•
na nachylenie płaszczyzny połaci dachowej do poziomu (w przypadku okien dachowych);
•
zdolności przepuszczania promieniowania przez szybę (tzw. przepustowość szyby);
•
zastosowanie osłon przeciwsłonecznych;
•
zacienienie budynku ze względu na jego usytuowania oraz przesłony na elewacji budynku.
Zyski ciepła od nasłonecznienia można wyliczyć z zależności:
+,-
=
(./ ∗ 0+,- ∗ 12 )
gdzie:
A4
powierzchnia okna;
I678
wartość natężenie promieniowania słonecznego na podstawie danych z najbliższej stacji
meteorologicznej;
w:
współczynnik zacienienia, redukujący zysków od nasłonecznienia ze względu na zacienienie
budynku na jego usytuowanie oraz przesłony na elewacji budynku;
Zyski ciepła wewnętrzne
Zyski wewnętrzne od ludzi, urządzeń znajdujących się w bilansie cieplnym pomieszczeń są najczęściej
przyjmowane wskaźnikowo. Przyjmuje się je w odniesieniu do kubatury lub do powierzchni budynku. Na podstawie
[11] wartość wewnętrznych zysków ciepła w budynku lub lokalu mieszkalnym można wyliczyć ze wzoru:
#
= ; #$ ∗ .$ ∗ <= ∗ [email protected] [BCℎ⁄ EFG]
gdzie:
AJ
powierzchnia pomieszczeń o regulowanej temperaturze w budynku
qLMJ
obciążenie cieplne pomieszczenia zyskami cieplnymi
tO
liczba godzin w miesiącu
11
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Przy obliczeniu zysków wewnętrznych należy wykorzystać dokumentację techniczną budynki i instalacji.
W przypadku braku danych dla istniejących budynków można przyjąć wartości średnie, np.: wg tabela 2.5.
Tabela 2.5
Średnia moc jednostkowa wewnętrznych zysków ciepła w odniesieniu do powierzchni dla wybranych
rodzajów budynku [11]
Rodzaj budynku
qinf [W/m]
Dom jednorodzinny
6,8
Dom wielorodzinny
7,1*
1.0**
Przeznaczony na potrzeby opieki zdrowotnej
8,0
5,7***
Biurowy
Szkoły
12*β+1*(1-β)****
* lokalne mieszkalne
** klatki schodowe
*** przy standartowym sposobie użytkowania pomieszczeń biurowych
**** β udział czasu działania wentylatorów wentylacji mechanicznej w miesiącu równy wykorzystaniu budynku w miesięcu
W przypadku budynków przemysłowych bilans zysków ciepła należy wyznaczyć w zależności od rodzaju
produkcji i sposobu użytkowania, np.: na podstawie danych technicznych zainstalowanych urządzeń. W tym
przypadku zyski ciepła od urządzeń można wyliczyć z zależności:
= P ∗ Q ∗ R[C]
gdzie:
N
moc urządzenia [W]
φ
współczynnik jednoczesności pracy urządzeń
z
stosunek średniej mocy do mocy z tabliczki znamionowej urządzenia
2.1.4 Zapotrzebowania na energię do ogrzewania
Z definicji [1] zapotrzebowanie na energię do ogrzewania jest to ciepło, które należy dostarczyć do
przestrzeni ogrzewanej, aby utrzymać zamierzone warunki temperaturowe podczas określonego przedziału czasu.
Wielkość tą wyznacza się dla sezonu grzewczego, obejmującego miesiące dla których straty ciepła są większe od
zysków. Sezon grzewczy powinien obejmować tylko te dni, w których ogrzewanie jest potrzebne. Dlatego długość
sezonu grzewczego może być inna dla każdego budynku i jej uzależniona od jakości energetycznej budynku.
Sposób oraz metody obliczeń zapotrzebowania na ciepła są przedstawione w normie [2]. Norma dopuszcza
różne metody obliczenia zapotrzebowania ciepła: sezonową, miesięczną oraz prostą metodę godzinową.
Obliczenie rocznego zapotrzebowanie energii użytkowej na potrzeby ogrzewania i wentylacji przedstawiono
przy wykorzystaniu metody miesięcznej. Obliczenia polegają na sumowania zapotrzebowania w każdym miesiącu
sezonu grzewczego, tzn. wykonujemy bilans zysków i strat ciepła dla każdego miesiąca w sezonie grzewczym i
wynik sumujemy. Dla każdego miesiąca w sezonie grzewczym przy wyliczaniu zapotrzebowania należy
uwzględniając, m.in. średnią temperaturę w danym miesiącu, liczbę godzin w miesiącu, zyski słoneczne w danym
miesiącu, etc. W całkowitym wyliczeniu zapotrzebowania na ciepło należy uwzględnić współczynnik efektywności
wykorzystania zysków w trybie ogrzewania (przyjmuje się, że zyski nie w całości bilansują straty ciepła). Roczne
zapotrzebowanie na ciepło związane z ogrzewaniem można przedstawić równaniem:
V
=
#
V,#
=
#
(
,#
− W*# ∗
*#,# )
gdzie:
X
miesiąc w sezonie grzewczym
12
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
V,#
,#
*#,#
W*#
zapotrzebowanie na energię dla miesiąca n w sezonie grzewczym
straty ciepła przez przenikanie i wentylację dla miesiąca n w sezonie grzewczym
zyski ciepła dla miesiąca n w sezonie grzewczym
bezwymiarowy czynnik wykorzystania zysków ciepła
W celu obliczenia zapotrzebowania na energię końcową, którą odzwierciedla zapotrzebowanie budynku
należy uwzględnić jeszcze straty systemu grzewczego, np.: systemu przesyłowego, urządzeń pomocniczych oraz
źródła ciepła. Energię końcową wylicza się na podstawie energii użytkowej z uwzględnieniem sprawności
grzewczego systemu instalacyjnego, wartość tą można przedstawić równaniem:
Y
=
V /WV, ,
gdzie:
zapotrzebowanie na energię użytkowa przez budynek w całym okresie grzewczym
V
WV,
,
całkowita sprawność całego systemu grzewczego, z uwzględnieniem sprawności źródła, systemu
przesyłu ciepła, etc.
2.2 Obliczenie projektowego obciążenia cieplnego budynku - moc
szczytowa
Projektowane obciążenie cieplne budynku - moc szczytowa - jest określana przy skrajnych warunkach
temperaturowych, które mogą wystąpić w ciągu roku. Obciążenie jest minimalną mocą źródła ciepła niezbędną dla
zapewnienia komfortu cieplnego użytkowników budynku.
Przy wyliczeniu mocy przyjmuje się temperatury zewnętrzne najniekorzystniejsze jakie mogą wystąpić w
danej strefie klimatycznej (rozdział 2.1.1) oraz nie uwzględnia się zysków ciepła związanych z nasłonecznieniem
oraz zysków wewnętrznych. Dodatkowo w obliczeniu mocy szczytowej dopuszcza się, inaczej niż przy obliczeniach
zapotrzebowania na ciepło, mniejszą intensywność wentylacji pomieszczeń. Metoda obliczania obciążenia
cieplnego jest bardzo precyzyjnie opisana w normie PN-EN 12831 [1]. Matematycznie projektowane obciążenie
cieplne dla całego budynku (lub jego części) można wyliczyć w następujący sposób:
ΦV\ =
Φ ]^ +
Φ_^ +
Φ`V^
gdzie:
∑ Φ ]^
suma strat ciepła przez przenikanie wszystkich przestrzeni ogrzewanych budynku z wyłączeniem
ciepła wymienianego wewnątrz budynku [W]
∑ Φ_^
suma wentylacyjnych strat ciepła wszystkich przestrzeni ogrzewanych budynku z wyłączeniem
ciepła wymienianego wewnątrz budynku [W]
∑ Φ`V^ suma nadwyżek mocy cieplnej wszystkich przestrzeni wymaganych do skompensowania skutków
osłabienia ogrzewania [W]
Powyższą zależność przedstawiono na rysunku 2.3 [14]. Uwzględnienie nadwyżki mocy w projektowaniu
obciążenia cieplnego umożliwia osiągniecie wymaganej temperatury wewnętrznej przy określonym czasie po
okresie osłabienia np.: ogrzewaniu z przerwami lub niższym niż standardowym. Przy projektowaniu nowego
budynku lub modernizacji nadwyżka mocy powinna być uzgodniona z klientem (zleceniodawcą).
13
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Rysunek 2.3
Projektowe obciążenie cieplne na podstawie normy [1]
2.3 Zapotrzebowanie na energię i moc na potrzeby ciepłej wody
użytkowej
2.3.1 Obliczenie zapotrzebowania na ciepło do przygotowania ciepłej wody
użytkowej (c.w.u.)
Roczne zapotrzebowanie na ciepło dla celów przygotowania ciepłej wody można wyznaczyć jako funkcję
jednostkowego dziennego zużycia wody na osobę (w zależności od kategorii odbiorców: budownictwo
mieszkaniowe, placówki handlowo-usługowe, placówki służby zdrowia, etc.), ilości osób, ilości dni w roku
przebywania w budynku, różnicy temperatur o jaką należy podgrzać wodę.
Dostępne są dane literaturowe określające średnie statystyczne zużycie c.w.u. [l/osobę/dzień] przez różnego
typu odbiorców (mieszkania, szpitale, zakłady przemysłowe, budynki użyteczności publicznej, szpitale, etc.). Tam
gdzie dostępne są dane historyczne należy z nich skorzystać, gdyż rzeczywiste zapotrzebowanie może być znacznie
niższe niż dane normatywne. W szczególności u odbiorców indywidualnych wielkość dziennego zużycia ciepłej
wody jest znacznie niższa od wielkości normatywnych. W budynkach innych niż mieszkalne zaleca się, aby
zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową obliczyć na podstawie sposobu korzystania ciepłej wody. W tym
przypadku, należy wziąć pod uwagę technologię procesu, dla którego będzie wykorzystywana woda, łącznie z
harmonogramem poboru.
Zapotrzebowania na ciepło do przygotowania ciepłej wody użytkowej należy wykonywać w oparciu o
przepisy normy [10] lub w oparciu o przepisy zawarte w rozporządzeniu o świadectwach [11]. Podstawą wyjściową
do obliczenia zapotrzebowania na ciepło do przygotowania ciepłej wody jest jednostkowe dobowe zapotrzebowania
na ciepła wodę na dzień w zależności od typu zabudowy oraz wielkości powierzchni użytkowej. Poniżej
przedstawiono równanie na podstawie rozporządzania o świadectwach:
b,#
b
∗ .$ ∗
/
∗
/
∗
/
,
∗ B ∗ < /3600
[kWh/rok]
gdzie:
b
jednostkowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę (dm3/m2 dzień), dobiera się na podstawie norm tabela
2.6 lub rzeczywistego zapotrzebowania
.$
/
/
powierzchnia pomieszczeń o regulowanej temperaturze powietrza [m2]
ciepło właściwe wody 4,19 [kJ/kg K]
gęstość wody 1 [kg/dm3]
/
obliczeniowa temperatura ciepłej wody użytkowej w zaworze czerpalnym, równa 55 [°C]
,
obliczeniowa temperatura ciepłej wody przed podgrzaniem, równa 10 [°C]
14
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
B
współczynnik korekcyjny ze względu na przerwy w użytkowaniu ciepłej wody użytkowej, na
podstawie norm tabela 2.6 [-]
<
liczba dni w roku, czas użytkowania należy zmniejszyć o przerwy urlopowe, wyjazdy i inne
sytuacje, średnio w ciągu roku o 10%
Tabela 2.6
Jednostkowe dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę oraz współczynnik korekcyjny [11]
VWi [dm3/m2 dzień]
Rodzaj budynku
kR
Dom jednorodzinny
1,40
0,90
Dom wielorodzinny
2,00*
1,60**
0,90
Budynek biurowy
0,35
0,70
Oświata, nauka
0,80
0,55
Opieka zdrowotna
6,50
1,00
Budnek o charakterze wykorzystania sportowym
0,25
0,33÷0,50
Gastronomia
2,50
0,80
Handel, usługi
0,60
0,78
Zbiorowego zamieszkania, np. hotel
3,75
0,60
Magazynowy
0,10
0,70
Produkcyjny
Indywidualnie w zalezności od rodzaju produkcji i
sposobu użytkowania
* ryczałtowe rozliczenie
** rozliczenie na podstawie liczników wody
Energię końcową związaną z zapotrzebowaniem na ciepłą wodę użytkową wylicza się na podstawie energii
użytkowej z uwzględnieniem sprawności przesyłu ciepłej wody użytkowej, wartość tą można przedstawić
równaniem:
d,b
=
b,#
/Wb,
,
gdzie:
b,#
Wb,
,
roczne zapotrzebowanie na energię użytkowa do przygotowanej ciepłej wody [kWh/rok]
całkowita sprawność przesyłu ciepłej wody użytkowej, z uwzględnieniem sprawności źródła,
systemu przesyłu, średniej sprawności akumulacji ciepła w elementach pojemnościowych, etc..
Sprawność można przyjąć na podstawie dokumentacji technicznej urządzeń, wiedzy technicznej,
dostępnych danych katalogowych lub zasad opisanych w rozporządzeniu o świadectwach [11]
2.3.2 Moc szczytowana do przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.)
Moc szczytowa dla przygotowania ciepłej wody jest zależna od liczby mieszkańców, różnicy temperatur
wody zimnej i wymaganej wody ciepłej, czasu dyspozycji (ile godzin ciepła woda ma być dostępna dla
15
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
użytkownika) oraz współczynnika nierównomierności rozbioru ciepłej wody. Sposób obliczenia mocy szczytowej
do przygotowania ciepłej wody użytkowej będzie uzależniono od liczby punktów czerpalnych.
W instalacjach lokalnych, gdzie stosowane jest indywidualne przygotowanie ciepłej wody dla jednego lub
kilku punktów czerpalnych, np.: w domu jednorodzinnym lub pojedynczym mieszkaniu w budynku
wielorodzinnym, maksymalne zapotrzebowanie na moc cieplną do przygotowania ciepłej wody można wyznaczyć
na podstawie faktycznej liczby punktów czerpalnych ciepłej wody i założonego sposobu ich użytkowania
(jednoczesności poboru ciepłej wody).
W przypadku wielu odbiorców zasilanych z jednego punktu przygotowania ciepłej wody należy uwzględnić
współczynniki nierównomierności występowania zapotrzebowania, uwzględniające statystyczny profil aktywności
odbiorców oraz standardowo określane pojemności zasobników ciepłej wody pełniących rolę buforów
pozwalających na obniżenie mocy nominalnej urządzeń grzewczych dla przygotowania c.w.u. W tym przypadku
szczytowe zapotrzebowanie można wyliczyć z zależności:
Φe/f = [
b,#
/(g ∗ ś
)] ∗ P
[kW]
gdzie:
b,#
g
roczne zapotrzebowanie na energię użytkowa do przygotowanej ciepłej wody [kWh/rok]
liczba dni w roku
ś
czas dyspozycji systemu c.w.u. dla użytkownika, jako średnią liczbę godzin korzystania z ciepłej
wody w ciągu doby przyjmuje się 18. Przy małej liczbie odbiorców ciepłej wody zaleca się
oszacować i urealnić wartość normatywnego użytkowania instalacji ciepłej wody
P
współczynnik nierównomierności rozbioru ciepłej wody, wyliczany na podstawie zależności:
P = 9,32 ∗ j ?k,lmm , gdzie: l- liczba użytkowników
2.4 Normatywne zapotrzebowania cieplne w zależności do roku
budowy
Zapotrzebowanie cieplne budynku można również w dużym przybliżeniu obliczyć wykorzystując
obowiązujące przepisy w zależności w jakim roku budynek został wykonany. Zakładając, że budynek został
wykonany zgodnie z przepisami, na podstawie powierzchni budynku [m2] możemy obliczyć przeciętne sezonowe
zapotrzebowanie ciepła na ogrzewania. Uzyskane w ten sposób wyniki mogą być niemiarodajne, w szczególności
dla budynków starszych, gdzie istnieje duże prawdopodobieństwo, że zostały one częściowo lub kompleksowo
podane termomodernizacji.
W tabeli 2.7 zamieszczono zapotrzebowanie cieplne dla budynków wynikające z obowiązujących przepisów
budowlanych (normy, rozporządzenia), w zależności od okresu, w którym zostały zbudowane [8][9][10][13].
Tabela 2.7
Zapotrzebowania cieplne budynków w zależności od roku oddania do użytkowania
Rok oddania budynku
do użytkowania
1966
Wymagana
maksymalna
wartość
współczynnika przenikania U dla ścian
zewnętrznych
Przeciętne
sezonowe
zapotrzebowanie
ciepła (energii końcowej) na ogrzewanie
W/(m2*K)
kWh/m2 rok
1,16÷1,40
240÷350
1967-1985
1,16
240÷280
1986-1992
0,75
160÷200
1993-1997
0,55
120÷160
1998-2008
0,30÷0,50
90÷120
2009-2013
0,30
65÷125
od 1.01.2014
0,25
-
16
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Na podstawie przedstawionych danych można zaobserwować stopniowe obniżanie współczynnika
przenikania
ciepła
w kolejnym
okresach
czasu.
Budynki
starego
typu
bez
przeprowadzonych
prac
modernizacyjnych charakteryzują sie znacznie większym zapotrzebowaniem cieplnych, tj. powyżej 200 kWh/m2 na
rok.
Od stycznia 2014 roku zaczęły obowiązywać nowe warunki techniczne dotyczące budynków oraz ich
usytuowania [10]. Głównym celem wprowadzania zmian jest rozwój budownictwa energooszczędnego. Zmiany
wynikają z unijnej Dyrektywy 2010/3/UE, która nakłada na państwa członkowskie obowiązek obniżenia zużycia
energii. W tabeli 2.8 przedstawiono docelowe wymagane parametry współczynnika przenikania U dla wszystkich
rodzajów budynku. Z przedstawionych danych wynika, że od stycznia 2014 i latach późniejszych wszystkie rodzaje
przegród będą charakteryzowały się lepszą izolacyjnością termiczną.
Tabela 2.8
Maksymalna wartość współczynnika przenikania w zależności od rodzaju przegrody po zmianach wg
[10] dla wszystkich rodzajów budynków
Rodzaj przegrody
Wymagana
maksymalna
wartość
współczynnika
przenikania U dla ścian zewnętrznych W/(m2*K)
od 1.01.2014
od 1.01.2017
od 1.01.2021
Ściany zewnętrzne
0,25
0,23
0,2
Dachy, stropodachy
0,20
0,18
0,15
Podłogi na gruncie
0,30
0,30
0,30
Okna, drzwi balkonowe
1,30
1,10
0,90
Drzwi
1,70
1,50
1,30
W tabeli 2.9 przedstawiono wartości parametru EP, który określa zapotrzebowania budynku na
nieodnawialną energię pierwotną.1 Na wartość tego parametru mają wpływ m.in. materiały izolacyjne, sposób
ogrzewania (rodzaj urządzenia oraz paliwa). Parametr ten określa wartość wskaźnika EP [kWh/m2 rok]
odpowiadającemu rocznego zapotrzebowaniu na nieodnawialna energię pierwotną do ogrzewania, wentylacji i
przygotowania ciepłej wody oraz chłodzenia.
Tabela 2.9
Maksymalna wartość EP na potrzeby ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania ciepłej wody
współczynnika po zmianach wg [10] w zależności od rodzaju budynku
Rodzaj budynku
Maksymalne wartości wskaźnika EP na potrzeby
ogrzewania, wentylacji oraz przygotowania
ciepłej wody użytkowej [kWh/m2 rok]
od 1.01.2014
od 1.01.2017
od 1.01.2021
Budynek mieszkalny jednorodzinny
120
95
70
Budynek mieszkalny wielorodzinny
105
85
65
Budynek zamieszkania zbiorowego
95
85
75
390
290
190
65
60
45
110
90
70
Budynek użyteczności publicznej: opieki zdrowotnej
Budynek użyteczności publicznej: pozostałe
Budynek gospodarczy, produkcyjny
Z przedstawionych danych wynika, że od stycznia 2014 obowiązują oraz w kolejnych latach będą
obowiązywały znacznie bardziej zaostrzone wartości w porównaniu do lat ubiegłych.
1
w tabeli przedstawiono wartości EP bez chłodzenia i oświetlenia
17
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Ogrzewanie budynków o niskiej zapotrzebowaniu ciepła różni się znacznie od ogrzewania starego budownictwa.
Sumaryczne straty ciepła związane z przenikaniem przez ściany, okna dla obecnie lub w przyszłości budowanych
obiektów mogą być mniejsze od wentylacji budynku i podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Jest to spowodowane
wykorzystaniem nowych technologii budowlanych m.in. poprzez wykorzystanie lepszych izolacji cieplnych, a także
okien i drzwi. Obrazuje to rysunek 2.4, na którym przedstawiono zapotrzebowanie jednostkowe ciepła w zależności
od okresu budowy. W porównaniu do budynków z lat 70-tych największy procentowy spadek dotyczy strat ciepła
przez przenikanie.
Rysunek 2.4
Zmiana jednostkowego zapotrzebowania cieplnego budynku w podziale na rok budowy
2.4.1 Możliwości termomodernizacyjne
Zużycie energii w budynkach wynika z różnych potrzeb. Na rysunku 2.5 przedstawiono strukturę zużycia
energii w budynkach mieszkalnych. Z przedstawionego rysunku wynika, że ogrzewanie stanowi dominujący
wielkość w strukturze zużycia energii w gospodarstwach domowych. Udział energii na ogrzewaniu
w przedstawionym okresie systematycznie maleje. Wynika to przede wszystkich z zastosowania na potrzeby
grzewcze bardziej efektywnych energetycznie instalacji, realizowanych przedsięwzięć termomodernizacyjnych oraz
warunków pogodowych (stosunkowo łagodniejsze zimy). Również wpływ na zmianę udział ogrzewania
w strukturze użycia energii ma wprowadzenie bardziej restrykcyjnych norm.
Rysunek 2.5
Struktura zużycia energii w gospodarstwach domowych według kierunków użytkowania [15]
18
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Tabela 2.10
Zamiany struktury zużycia energii w gospodarstwach domowych wg kierunków użytkowania [15]
Rok
Wyszczególnienie
1993
2002
2009
2012
Ogółem
100%
100%
100%
100%
Ogrzewanie
73,1%
71,2%
70,2
68,8
Podgrzewanie wody
14,9%
15,1%
14,4
14,8
Gotowanie posiłków
7,1%
6,6%
8,2
8,3
Oświetlenie
1,6%
2,3%
1,8
1,5
Wyposażenie elektryczne
3,3%
4,5%
5,4
6,6
Wielkość zapotrzebowania na ciepło wynika z pokrycia strat ciepła. Straty te mogą być różne w zależności
od rodzaju przegrody. Większość budynków w Polsce jest niewystarczająco zabezpieczona przez utratą ciepłą.
Przepisy/normy w ubiegłych latach były znacznie mniej restrykcyjne niż obecnie (patrz tab. xxx). Udział
poszczególnych elementów budynku w stratach ciepła może być podstawą do podjęcia decyzji co należy w przede
wszystkim poddać modernizacji. W tabeli 2.11 przedstawiono średnie procentowe straty ciepła w budynkach
mieszkalnych. Udział procentowy poszczególnych elementów przedstawionych w tabeli można być różny
w zależności od roku budynku, sposobu wykorzystania, etc.
Tabela 2.11
Procentowy rozkład strat ciepła w zależności dla budynku mieszkalnego
Rodzaj strat cieplnych
Zabudowa mieszkaniowa
jednorodzinny
Zabudowa mieszkaniowa
wielorodzinna
Ściany zewnętrzne
20-30%
20-40%
Wentylacja
30-40%
25-30%
Dach
10-25%
5-15%
5-10%
3-10%
10-25%
15-25%
Podłoga
Okna, drzwi
Działania termomodernizacyjne możemy podzielić na inwestycyjne, które najczęściej polegają na ulepszeniu cech
technicznych budynku, oraz bezinwestycyjne, polegające przede wszystkich na sposobie korzystania z energii, np.:
poprzez zmianę zachowań.
Działania inwestycyjne
Wykonanie prac termomodernizacyjnych polega na wykonaniu działań ulepszających cechy technicznie budynku tj.
usprawnienia w strukturze przegród budowlanych, jak i instalacji, czego efektem będzie zmniejszenie
zapotrzebowania na ciepło. W ramach prac można wykonać:
•
ocieplenie zewnętrznych przegród budowlanych:
-
zastosowanie materiałów budowlanych o wysokich właściwościach izolacyjnych w celu spełnienie
aktualnych norm (docieplenie ścian, stropodachów, etc),
-
modernizacja lub wymiana okien, drzwi, poprzez np.: zmniejszenie wielkości okien, uszczelnienie,
wstawienie dodatkowych szyb, montaż zasłon, żaluzji i okiennic.
•
zmodernizowanie lub wymiana instalacji centralnego ogrzewania - wykonanie działań obejmujących m.in.:
zaizolowanie przewodów, zamontowanie zaworów termostatycznych, montaż podzielników ciepła;
•
modernizacja węzła cieplnego oraz zainstalowanie automatyki sterującej;
•
usprawnienie systemu wentylacji - przeprowadzenie działań termomodernizacyjnych prowadzi do
pogorszenie systemu wentylacji, który w większości jest oparty o wentylację naturalną grawitacyjną.
Związane to jest z uszczelnieniem okien/drzwi, które stanowiły naturalnym dopływem świeżego powietrza.
19
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Dlatego w celu polepszenia systemu wentylacji należy montować urządzenia zapewniający sterowalny
przepływ powietrza, np.: nawiewniki powietrza lub zastosowanie wentylacji mechanicznej nawiewnowywiewnej z rekuperacją (odzyskiem) ciepła.
•
modernizacja systemu zaopatrzenia w ciepłą wodę użytkową -działania to przede wszystkim wprowadzenie
indywidualnego systemu rozliczania opłat za ciepłą wodę w oparciu o wskazania wodomierzy. Inne
działania zwiększające efektywność to: wymiana niesprawnej aparatury, poprawa działania układu
przygotowującego ciepłą wodę oraz modernizacja układu cyrkulacyjnego, wprowadzenie automatycznej
regulacji temperatury wody, wykorzystanie aparatury umożliwiającej oszczędzanie ciepłej wody, np.:
perlatorów.
W tabeli 2.12 przedstawiono średnie procentowe obniżenie zużycia ciepła w stosunku do stanu przed modernizacją.
W większości wykonywanych działań termomodernizacyjnych przyczyną największych strat ciepła są ściany
zewnętrzne, stropodachy, podłoga oraz działania związane z modernizacją okien. Prawidłowe modernizacja tych
elementów pozwoli na znaczne zmniejszenie zużycia energii przy zachowaniu dotychczasowego komfortu
cieplnego pomieszczenia.
Tabela 2.12
Średnioprocentowe obniżenie zużycia ciepła w zależności od rodzaju prac modernizacyjnych
Sposób uzyskania oszczędności
Automatyka pogodowa, inne urządzenia regulacyjne
zamontowane w węźle cieplnym
Modernizacja instalacji cieplnej poprzez np.: izolowanie
przewodów, zamontowanie zaworów termostatycznych
Montaż podzielników ciepła
Średnie % obniżenie zużycia
ciepła w stosunku do stanu
bazowego
5-15%
10-20%
10%
Montaż ekranów zagrzejnikowych
2-5%
Uszczelnienie stolarki okiennej i drzwi
3-5%
Wymiana okien na okna charakteryzyjące się niższą wartością
współczynnika przenikania i zwiekszenie szczelności
10-15%
Docieplenie zewnętrznych przegród budowlanych
10-25%
Działania bezinwestycyjne
Oprócz powyżej wymienionych działań inwestycyjnych (kosztowych), skuteczną formą zmniejszające zużycie
energii cieplnej są działania zmieniające nawyki dotyczące użytkowania ogrzewania lub korzystania z ciepłej wody.
Do podstawowych działań nie kosztowych można zaliczyć: zakręcanie zaworów na grzejnikach podczas wietrzenia
pomieszczeń bądź nieobecności w domu, obniżenie temperatury w pomieszczeniach rzadziej eksploatowanych lub
w nocy oraz niezasłanianie grzejników.
Audyt energetyczny
Efekt przeprowadzonych prac modernizacyjnych obniżających zużycia ciepła będzie różny w zależności od
budynku. Dlatego celowym jest wykonanie analizy, która określi opłacalność różnych wariantów modernizacji, tzw.
audytu energetycznego.
Audyt energetyczny jest opracowaniem stanowiącym ocenę techniczno-ekonomiczną budynku z punktu wiedzenia
zapotrzebowania na energię. W opracowaniu określa się, jakie zmiany i ulepszenia - rozwiązania optymalne - trzeba
wykonać, aby zmniejszyć zużycie energii i związane z tym koszty eksploatacyjne. Audyt energetyczny składa się z:
• inwentaryzacji techniczno-budowlanej budynku,
20
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
• ocenę stanu technicznego budynku w zakresie istotnym dla wskazania usprawnień i przedsięwzięć
termomodernizacyjnych,
• wskazanie działań i ocenę efektywności zaproponowanych przedsięwzięć termomodernizacyjnych,
• wybór optymalnego wariantu przedsięwzięcia termomodernizacyjnego z określeniem kosztów.
Wykonanie
audytu
energetycznego
jest
wymogiem
obligatoryjnym
o
ubieganie
się
tzw.
premii
termomodernizacyjnej. Zasady ubiegania się o kredyt z premią termomodernizacyjną są uregulowane ustawą o
wspieraniu termomodernizacji i remontów [12].
Premia termomodernizacyjna stanowi pomoc w spłacie części kredytu. Premia ta stanowi 20% wykorzystanej kwoty
kredytu, nie więcej niż 16 % kosztów inwestycji Przysługuje w przypadku realizacji przedsięwzięć
termomodernizacyjnych, których celem jest:
• zmniejszenie zużycia energii na ogrzewanie budynku i podgrzewanie wody użytkowej o 25% rocznie, gdy
dokonuje się kompleksowej termomodernizacji, albo o 10% rocznie, gdy modernizuje się tylko system
grzewczy. Jeśli ten został już w przeszłości ulepszony (ale po 1984 r.), nowe przedsięwzięcie musi przynieść
co najmniej 15% zmniejszenia zużycia energii;
• zmniejszenie kosztów pozyskania ciepła dostarczanego do budynków, poprzez wykonanie przyłącza
technicznego do scentralizowanego źródła ciepła w związku z likwidacją lokalnego źródła ciepła,
• zmniejszenie strat energii pierwotnej w lokalnych sieciach ciepłowniczych oraz zasilających je lokalnych
źródłach ciepła,
• całkowita lub częściowa zamianie źródła energii na źródło odnawialne lub zastosowanie wysokosprawnej
kogeneracji.
O premię termomodernizacyjną mogą się ubiegać właściciele lub zarządcy:
• budynków mieszkalnych,
• budynków zbiorowego zamieszkania,
• budynków użyteczności publicznej stanowiących własność jednostek samorządu terytorialnego i
wykorzystywanych przez nie do wykonywania zadań publicznych,
• lokalnej sieci ciepłowniczej,
• lokalnego źródła ciepła.
Ponadto wg ustawy [12] istnieje możliwość uzyskania premii remontowej. O premię remontową mogą się ubiegać
właściciele lub zarządcy budynków wielorodzinnych, których użytkowanie rozpoczęto przed dniem 14 sierpnia
1961 r. Premia remontowa stanowi 20% kwoty kredytu wykorzystanego na realizację przedsięwzięcia
remontowego, jednak nie więcej niż 15% poniesionych kosztów przedsięwzięcia.
Warunkiem uzyskania premii remontowej jest wykonanie audytu remontowego, w którym podobnie jak w audycie
energetycznym wymagane jest wykazanie oszczędności energetycznych. Premia remontowa przysługuje w
przypadku realizacji przedsięwzięć remontowych związanych z termomodernizacją budynków wielorodzinnych,
których przedmiotem jest:
•
remont tych budynków,
•
wymiana okien lub remont balkonów,
•
przebudowa budynków, w wyniku której następuje ich ulepszenie,
•
wyposażenie budynków w instalacje i urządzenia wymagane dla oddawanych do użytkowania budynków
mieszkalnych, zgodnie z przepisami techniczno-budowlanymi.
Premia remontowa przysługuje wyłącznie osobom fizycznym, wspólnotom mieszkaniowym z większościowym
udziałem osób fizycznych, spółdzielniom mieszkaniowym lub towarzystwom budownictwa społecznego.
21
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
3 Obliczania zapotrzebowania cieplnego w kalkulatorze
energetycznym
Celem projektu jest przeprowadzenie badań i opracowanie narzędzi informatycznych wspierających
Jednostki Samorządu Terytorialnego w zakresie inwestycyjnego i bezinwestycyjnego ograniczania zużycia energii
i emisji zanieczyszczeń, poprzez identyfikację potencjalnych przyczyn ponadnormatywnego zużycia energii, przede
wszystkim w budynkach administrowanych przez samorządy lokalne, ale również w innych, w szczególności
w budownictwie indywidualnym, jednorodzinnym. Przez działania inwestycyjne należy rozumieć różnego typu
termomodernizacje, natomiast bezinwestycyjne m.in. regulację instalacji grzewczych, zapewniająca optymalną
z punktu widzenia zużycia energii i komfortu cieplnego temperaturę w pomieszczeniach, racjonalizację zużycia
energii przez osoby korzystające z budynków, etc.
Podstawowym założeniem projektu jest, by zarządzanie energią w budynkach administrowanych przez JST
było prowadzone przez nie same. Dostępne komercyjnie oprogramowanie pozwalające na wyznaczanie
energochłonności budynków i modelowania wpływu termomodernizacji na jej poprawę, jest dedykowane dla
audytorów energetycznych, posiadających specjalistyczną wiedzę z tego obszaru oraz wymaga wprowadzania
szeregu danych o konstrukcji budynku i instalacjach wewnętrznych (częściowo zostało to opisane w rozdziale 2).
Należy założyć, że osoby zatrudnione w JST nie posiadają takiej wiedzy, a ilość budynków jest na tyle duża, że
wprowadzenie szczegółowych danych byłoby dużym utrudnieniem, uniemożliwiającym samodzielne wdrożenie
i eksploatację systemu.
Oznacza to konieczność ograniczenia ilości i szczegółowości wprowadzanych danych o stanie budynków, by mogły
to robić osoby bez specjalistycznej wiedzy z zakresu konstrukcji budynków, ciepłownictwa, energochłonności, etc.,
oraz by realnym było wprowadzenie takich danych dla stosunkowo dużej liczby obiektów administrowanych przez
samorządy lokalne.
3.1 Metodyka wyznaczania zapotrzebowania na moc i energię cieplną
do ogrzewania budynków
Głównym celem badań była identyfikacja wybranych parametrów budynku, reprezentatywnych pod kątem
zużycia energii, pozwalających na dokładne szacowanie zapotrzebowania na energię w podziale na funkcje
(ogrzewanie, przygotowanie ciepłej wody, przygotowanie posiłków) oraz analityczne wyznaczenie zależności
pomiędzy zapotrzebowaniem na moc i energię a parametrami opisującymi budynek.
Potrzeby cieplne ogrzewanych budynków wynikają z charakteru ich wykorzystania i powierzchni oraz kubatury
budynków. Istotnym z punktu widzenia potrzeb cieplnych jest rok budowy. Prawo budowlane, modyfikowane
w kolejnych latach, ściśle określało minimalne parametry między innymi izolacyjności cieplnej budynków. Stąd
można przyjąć, że z chwilą zmiany norm budowlanych, nowo powstające budynki musiały spełniać wymagania,
a co za tym idzie można określić standardowe zapotrzebowanie dla pewnych grup budynków. Do celów
przybliżonego określenia potrzeb energetycznych standardowych budynków wykorzystano wzory empiryczne
oparte na ogólnie dostępnych parametrach budynków.
Do przeprowadzenia badań wykorzystano dane zarówno własne oraz informacje o obiektach pozyskane
w trakcie projektu. W tabeli 3.1 przedstawiono budynki wykorzystane w analizach oraz podstawowe parametry
niezbędne do obliczania zapotrzebowania cieplnego. Zależności pomiędzy parametrami modeli energetycznych
budynków i instalacji a zapotrzebowaniem na energię i paliwa zostały określone z uwzględnieniem zarówno
wytycznych wynikających z odpowiednich norm, jak i danych o zużyciu energii pozyskanych z wybranych,
reprezentatywnych budynków.
22
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Tabela 3.1
Parametry budynków wykorzystane w badaniach
Typ Budynku
Powierzchnia
/kubatura
[m2/m3]
Rok
budowy
Zapotrzebowanie
cieplne na
ogrzewanie
1
Przedszkole powiat
bytowski
1430/8330
-
674
183
2
Przedszkole powiat
bytowski
750/3800
-
451
107
3
Szkoła powiat bytowski
4040/13440
1945
1436
600
-
4
Szkoła powiat bytowski
3400/16380
1962
1605
366
Budynek po całkowitej
termomodernizacji|: ocieplenie
ścian, wymiana okien, ocieplenie
dachów, wymiana instalacji c.o.
5
Szkoła powiat bytowski
600/3900
1990
490
61
6
Szkoła powiat bytowski
1080/3200
1992
702
300
Wymiana okien
7
Szkoła powiat bytowski
570/2700
1945
303
100
Docieplenie 1/4 budynku
8
Szkoła powiat bytowski
570/3800
1947
205
72
9
Szkoła powiat bytowski
1100/8200
1970
924
156
Pełna termomodernizacja w 2009
roku
10
Szkoła powiat bytowski
10000/48400
2004
1742
590
-
11
Budynek publiczny
powiat bytowski
1890/8440
1906
902
-
-
12
Szkoła powiat bytowski
4460/14400
-
2900
500
13
Szkoła powiat bytowski
3660/15590
1990
1403
365
14
Szkoła powiat bytowski
1100/-
1910
792
100
15
Budynek publiczny
powiat bytowski
3360/17730
1905
1895
150
16
Budynek publiczny
powiat bytowski
850/2550
1915
264
30
17
Budynek publiczny
powiat bytowski
800/3500
-
374
-
-
18
Budynek publiczny
powiat bytowski
880/2700
-
315
-
-
19
Budynek publiczny
powiat bytowski
2000/11600
1984
1128
-
-
20
Budynek publiczny
powiat bytowski
1600/8000
-
855
-
-
21
Budynek publiczny
powiat bytowski
13200/6200
-
705
-
-
13500/63600
1930
12257
700
-
2530/7834
1920
635
80
L.p.
22
23
Placówka Zdrowia
powiat bytowski
Budynek publiczny
powiat sztumski
Ilość
osób
Zakres termomodernizacji
Wymiana instalacji c.o., ocieplenie
ścian, stropodachu, wymiana okien,
drzwi
Wymiana instalacji c.o., ocieplenie
ścian, stropodachu, wymiana okien,
drzwi
Docieplenie jednej ściany
Docieplenie jednego budynku
Pełna termomodernizacja w 2012
roku: docieplenie, wymiana okien,
drzwi; modernizacja systemu
grzewczego
Pełna termomodernizacja w 2012
roku: docieplenie, wymiana okien,
drzwi; modernizacja systemu
grzewczego
Częściowo wykonane prace
termomodernizacyjne
Częściowa wymiana stolarki
okiennej
Pełna termomodernizacja w 2012
roku: docieplenie, wymiana okien,
drzwi
Tak, częściowo, brak docieplenia
dachu
23
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
L.p.
24
25
Typ Budynku
Placówka Zdrowia
powiat słupski
Placówka Zdrowia
powiat słupski
Powierzchnia
/kubatura
[m2/m3]
Rok
budowy
Zapotrzebowanie
cieplne na
ogrzewanie
1050/6040
1900
1024
60
4230/18500
2000
1721
120
Ilość
osób
Zakres termomodernizacji
-
26
Szkoła powiat słupski
1550/12530
1965
885
150
Wymiana okien, ocieplone ściany
27
Szkoła powiat słupski
1030/4560
1973
800
200
Wymiana okien, ocieplone ściany
28
Szkoła powiat słupski
2210/17610
1966
1766
200
29
Szkoła powiat słupski
2090/-
1977
1324
350
30
Szkoła powiat słupski
1845/3440
-
1766
162
-
31
Szkoła powiat słupski
3000/-
-
1800
477
Kompleksowa modernizacja
475/2320
1980
547
92
Kompleksowa modernizacja
600/2700
1988
335
50
-
1910/9430
1907
800
500
Kompleksowa modernizacja
665/2570
1945
472
170
-
840/3090
1977
401
120
Wymiana okien/drzwi, remont
dachu
946/11000
1971
1176
550
-
1102/4400
-
580
250
Kompleksowa modernizacja
1525/6670
1993
750
100
-
1990/8300
1962
2160
310
-
2940/14940
1979
2210
440
Wymiana okien/drzwi
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
Przedszkole powiat
słupski
Budynek publiczny
powiat słupski
Szkoła powiecie
lidzbarskim
Przedszkole powiecie
lidzbarskim
Przedszkole powiecie
lidzbarskim
Szkoła powiecie
lidzbarskim
Szkoła powiecie
lidzbarskim
Szkoła powiecie
lidzbarskim
Szkoła powiecie
lidzbarskim
Szkoła powiecie
chojnicki
Budynek częściowo rozbudowany
po 1990 roku
Budynek częściowo rozbudowany
w 1999 roku
42
Szkoła powiecie lęborski
350/1300
1900
291
212
Wymiana okien
43
Szkoła powiecie lęborski
1185/5810
1966
812
180
Wymiana okien
44
Szkoła powiecie lęborski
1200/6000
1961
700
278
-
630/2590
1974
477
50
Wymiana okien
440/2200
1994
177
10
-
610/1650
1950
468
105
Modernizacja stropodachu
1060/6250
1995
857
164
-
2830/14230
2000
1029
240
-
1150/5380
1911
875
180
Kompleksowa modernizacja
290/1530
1968
210
15
Wymiana okien/drzwi
800/4180
1918
501
544
Wymiana okien/drzwi
45
46
47
48
49
50
51
52
Budynek publiczny
powiat lęborski
Budynek publiczny
powiat lęborski
Budynek publiczny
powiat lęborski
Szkoła powiecie
starogardzkim
Szkoła powiecie
starogardzkim
Szkoła powiecie
starogardzkim
Placówka Zdrowia
powiat starogardzkim
Szkoła powiat
starogardzkim
24
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Zależności pomiędzy podstawowymi parametrami budynku a jego zapotrzebowaniem na moc (Φ) i energię cieplną
(
można przedstawić jako funkcję:
,Φ
n op1EFqR DXE&; Bst&<sq&; qpB_tsgp1v; <vo_tsgvXBs; <F o_RF1. _pq&R_1F1. ; Ejpść_pGót; R&BqFG_<Fq p pg. Szczytowe zapotrzebowanie cieplne budynku pozostaje w relacji do technologii budynku (roku budowy),
zastosowanych dociepleń, stosunku kubatury do powierzchni ścian zewnętrznych, przeznaczenia budynku oraz
temperatur w zależności od strefy klimatycznej w której znajduje się budynek. W związku z tym, że realne do
pozyskania są wyłącznie powierzchnie użytkowe budynków, w obliczeniach zastosowano uproszczenie i przyjęto
budynek o standardowej bryle. Na tej podstawie wyznaczono krzywe szczytowego zapotrzebowania budynków dla
określonej kategorii odbiorcy przy uwzględnieniu roku budowy.
Na rysunku 3.1 przedstawiono przykładowe krzywe szczytowego zapotrzebowania w zależności od całkowitej
powierzchni budynku z uwzględnieniem roku budowy.
Rysunek 3.1
Szczytowe zapotrzebowanie mocy cieplnej dla budynku o przeznaczonym wykorzystaniu
w zależności od całkowitej powierzchni budynku z uwzględnieniem roku budowy
Roczne zużycie energii cieplnej na ogrzanie budynku wynika z warunków pogodowych w ciągu sezonu grzewczego
i może być wyznaczone w oparciu o szczytowe zapotrzebowanie budynku na moc oraz różnicę pomiędzy
rzeczywistymi temperaturami. Do obliczeń wykorzystuje się m.in.:
•
ilość dni grzewczych w danym miesiącu,
•
średnie temperatury dla każdego miesiąca w okresie grzewczym,
•
projektową temperaturę wewnętrzną w zależności od przeznaczenia budynku;
•
minimalna temperaturę na zewnątrz w zależności do położenia obiektu w strefie klimatycznej.
Na podstawie w/w danych możemy obliczyć procentowe wykorzystanie szczytowej mocy na ogrzewanie budynku
w ciągu sezonu grzewczego określonego jako:
B
ś
%z{
A%H
gdzie:
B
współczynnik wykorzystania mocy szczytowej w ciągu sezonu grzewczego
ś
ilość stopniodni przy uwzględnieniu średnich temperatur z wielolecia lub innych jeżeli są dostępne)
%z{
ilość stopniodni przy warunkach brzegowych (maksymalnych)
25
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Przykładowe wartości i obliczenia zostały przedstawione w tabeli 3.2.
Następnie na podstawie procentowego wykorzystania szczytowej mocy na ogrzanie budynku i przy wykorzystaniu
standartowych krzywych szczytowego zapotrzebowania możliwe jest określenie średniego zużycia energii cieplnej
na ogrzewanie pomieszczeń w ciągu sezonu grzewczego.
Tabela 3.2
Miesiąc
Dane wejściowe wykorzystywane do obliczenia zużycia ciepła
Ilość dni
grzewczych w
danym miesiącu
Stopniodni
Średnie
temperatury
miesięczne
W sezonie na podstawie temp.
średniej
Na podsawie warunkow
brzegowych, tw=+20°C, tz =-18°C
1
31
-1.6
669.6
1064
2
28
-0.55
575.4
1178
3
31
2.7
537.7
1140
4
30
8.7
340.5
0
5
0
11.0
0.0
0
6
0
15.7
0.0
0
7
0
16.8
0.0
0
8
0
16.2
0.0
0
9
0
11.5
0.0
1178
10
31
8.9
342.8
1140
11
30
4.6
460.9
1178
12
31
-0.2
626.5
1064
227
-
3553,4
8056
Procentowe wykorzystanie szczytowej mocy
0,441
Średnia
Na tej podstawie zostały także opracowane referencyjne modele energetyczne budynku o typowym charakterze
wykorzystania, które umożliwiają szacowanie zużycia energii dowolnego obiektu w funkcji wielu zmiennych. Do
wyznaczenia zapotrzebowania na ciepło dla referencyjnego budynku wykorzystano standartowe warunki brzegowe
m.in. temperatura wewnętrzna, zewnętrzna na podstawie określony norm (patrz rozdział 2.1.1). W rzeczywistości
warunki brzegowe mogą być inne. Komfort cieplny użytkownika/użytkowników jest subiektywny. Oznacza to, że
dla budynku o tych samych parametrach technicznych i wybudowanego w tym samym roku roczne zużycie ciepła
może być inne. Dlatego porównanie zużycia ciepła rzeczywistego budynku z referencyjnym będzie polegało na
zasadzie benchmarkingu. Obrazowo zostało to przedstawiono w tabeli 3.3.
Zużycie ciepła budynku rzeczywistego zostało przedstawiono w jednostkach względnych (p.u.) w stosunku do
zużycia referencyjnego dla każdego roku grzewczego. W ten sposób uzyskamy możliwość monitorowania (z roku
na rok) zapotrzebowania cieplnego budynku i ewentualne zidentyfikowanie odchyleń w porównaniu do
normatywnego, co pozwoli na doraźne wprowadzenie działań zaradczych, np. kontrolę warunków eksploatacji
obiektu. Ponadto analiza umożliwia porównanie zużycia ciepła bez oddziaływania różnych czynników mających
wpływ na wielkość zapotrzebowania, tj. zmienności temperatur, innego komfortu cieplnego użytkownika, etc.
26
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Tabela 3.3
Porównanie zużycia ciepła budynku rzeczywistego z referencyjnym - założenia
Zużycie ciepła - Budynek
rzeczywisty
Zużycie ciepła - Budynek
referencyjny
Rok_1
0,90 p.u.
1,0
-
Rok_2
0,92 p.u.
1,0
-
...
...
...
1.05 p.u.
1,0
Analiza przyczyn
Rok
...
Rok_n
Czynność
Analiza porównawcza pozwoli także na hierarchizację pod kątem największym odchyleń w porównaniu do
normatywnego zapotrzebowania na ciepło zasobów gminnych. Na rysunku 3.2 przedstawiono jednostkowe zużycie
energii cieplnej w funkcji powierzchni ogrzewanego budynku [GJ/m2] w zależności od roku budowy (na
przedstawionym wykresie wybrano budynki wybudowane przez 1970).
Na rysunku 3.2 budynki charakteryzują się różnymi parametrami technicznymi, w szczególności powierzchnią,
kubaturą czy zakresem wykonanych dotychczas prac modernizacyjnych. Cechą wspólną analizowanych budynków
jest położenie (ta sama strefa klimatyczna), przeznaczenie (kategoria, w tym przypadku placówki oświatowe) oraz
przyjęty zakres roku budowy (budynki wybudowane przed 1970 rokiem).
Czerwonym kolorem zaznaczono analizowany obiekt o wskaźniku zapotrzebowania na ciepło 0,69 GJ/m2. W grupie
budynków o zbliżonej powierzchni istnieją budynki o niższym wskaźniku (mniej energochłonne). Oznacza to, że
istnieje możliwość wdrożenia działań inwestycyjnych lub bezinwestycyjnych, które mogą przyczynić się do
obniżenia zapotrzebowania na ciepło.
Na tej podstawie będzie można określić wstępnie przyczyny odchyleń zużycia analizowanego budynku
w porównaniu do innych o zbliżonej powierzchni oraz wytypować warianty modernizacji lub przeprowadzić
działania zaradcze (np. kontrola warunków eksploatacji obiektu), które pozwoliłby uzyskać wskaźnik GJ/m2
porównywalny do najlepszych obiektów.
Analiza porównawcza pozwala także na wstępne wytypowanie zasobów gminnych najbardziej energochłonnych,
które powinny zostać w pierwszej kolejności objęte działaniami zaradczymi.
Rysunek 3.2
Jednostkowe zużycie energii cieplnej w funkcji powierzchni budynku dla obiektów wybudowanych
przez 1970 rokiem
Powyżej przedstawiono jeden z możliwych wskaźników, które można zastosować do analizy porównawczej.
Obliczenia w kalkulatorze energetycznych bazują na parametrach budynku ogólnie dostępnych. Większa ilość
27
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
wskaźników pozwala na rozbudowanie systemu porównawczego i wybór obiektów do analizy, charakteryzujących
się parametrami podobnymi do analizowanego budynku.
3.2 Metodyka wyznaczania mocy i energii cieplnej dla przygotowania
ciepłej wody użytkowej
Moc szczytowa dla przygotowania ciepłej wody jest zależna od ilości punktów czerpalnych ciepłej wody
(kranów), ich przepustowości, różnicy temperatur o jaką należy podgrzać wodę oraz ilości zakumulowanej energii
w systemie przygotowania ciepłej wody i statystyczne jednorazowe zużycie przez jednego użytkownika.
Ze statystycznych danych wynika, że chwilowa wielkość zużycia wody przez jeden punkt czerpalny wynosi
od 10 l/min (pojedyncze punkty czerpalne) do 25 l/min (wanny). Powyższe przepływy dotyczą standardowej
armatury i ciśnień w instalacji hydraulicznej. Natomiast standardowa różnica temperatur przyjmowana w
obliczeniach wynosi 50 °C (woda zasilająca instalację - 5 °C, ciepła woda użytkowa wg polskich norm - 55 °C).
Przy wykonywaniu obliczeń przyjmuje się, że statystycznie w mieszkaniu znajdują się dwa punkty czerpalne o typu
"umywalka" i jeden typu "wanna". W przypadku zakładów przemysłowych lub budynków użyteczności publicznej
przyjmowana jest norma jeden punkt czerpalny na 10 zatrudnionych.
W przypadku wielu odbiorców zasilanych z jednego punktu przygotowania ciepłej wody przyjęto
zaczerpnięte z literatury współczynniki nierównomierności występowania zapotrzebowania, uwzględniające
statystyczny profil aktywności odbiorców oraz standardowo określane pojemności zasobników ciepłej wody
pełniących rolę buforów pozwalających na obniżenie mocy nominalnej urządzeń grzewczych dla przygotowania
CWU. W obliczeniach moc cieplną urządzeń grzewczych niezbędną dla grupy odbiorców obniża się zgodnie
z wartością współczynnika nierównomierności rozbioru ciepłej wody. Wielkości współczynników zamieszczono
w 3.4.
Tabela 3.4
Współczynniki równoczesności użycia wody
Ilość
mieszkań
Współczynnik
jednoczesności
Pojemność zasobnika
1
1,15
90
2
0,86
130
4
0,65
190
6
0,56
230
8
0,50
300
10
0,47
330
12
0,47
395
15
0,44
455
18
0,42
520
20
0,40
555
25
0,38
665
30
0,36
750
40
0,33
910
50
0,32
1110
60
0,31
1280
80
0,29
1600
100
0,28
1930
120
0,27
2280
150
0,26
2700
200
0,25
3450
28
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Roczną wielkość zużycia energii dla celów przygotowania ciepłej wody wyznaczono jako funkcję
jednostkowego dziennego zużycia wody na osobę (w zależności od kategorii odbiorców: budownictwo
mieszkaniowe, placówki handlowo-usługowe, placówki służby zdrowia, etc.), ilości osób, ilości dni w roku
przebywania w budynku, różnicy temperatur o jaką należy podgrzać wodę.
Dostępne są dane literaturowe określające średnie statystyczne zużycie CWU [l/osobę/dzień] przez rożnego typu
odbiorców (mieszkania, szpitale, zakłady przemysłowe, budynki użyteczności publicznej, szpitale, etc.). Pomimo
danych normatywnych na temat zużycia ciepłej wody przez poszczególne typy odbiorców, z doświadczeń
zebranych w trakcie wykonywania projektów wynika, że każdorazowo należy określić wielkość zużycia.
W szczególności u odbiorców indywidualnych wielkość dziennego zużycia ciepłej wody jest znacznie niższa od
wielkości normatywnych.
3.3
Metodyka wyznaczania ciepła dla celów technologicznych
Wielkość szczytowego zapotrzebowania mocy cieplnej dla celów technologicznych wśród odbiorców
indywidualnych – komunalnych (przygotowanie posiłków) wyznaczono na podstawie danych technicznych
producentów urządzeń elektrycznych i gazowych. Dane na temat poszczególnych urządzeń różnych producentów
pozyskano z internetu i uśredniono. Przyjmowane jest jedno urządzenie grzewcze (kuchnia gazowa lub elektryczna)
na lokal mieszkalny.
Roczną wielkość zużycia energii można określić jako iloraz ilości osób i normatywnego rocznego wskaźnika
zużycia energii. Wielkość wskaźnika [GJ/osobę/rok] wyznaczono na podstawie danych publikowanych przez
przedsiębiorstwa gazownicze dotyczących wielkości zużycia gazu dla przygotowania posiłków.
29
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
4 Opracowanie
oprogramowania
użytkowego
dla
zarządzania energią w obiektach administrowanych przez
JST
4.1 Założenia funkcjonalne programu
Zadaniem aplikacji jest określenie referencyjnego zużycia energii, odpowiadającego typowemu budynkowi
opisanemu za pomocą uproszczonych parametrów. Poniżej przedstawiono ogólną funkcjonalność aplikacji
z podziałem na główne bloki, natomiast na rysunku 4.1 przedstawiono schemat zarządzania energią w obiektach
gminnych przy wykorzystania kalkulatora energetycznego.
Podstawowe dane o obiekcie
Blok będzie stanowił podstawową bazę informacyjną dotyczącą budynku. Wymagane będzie wprowadzenie
podstawowych parametrów wykorzystywanych przy obliczeniu zapotrzebowania i zużycia cieplnego, m. in.:
•
dane identyfikacyjne: charakter wykorzystania (np.: budynek mieszkalny, publiczny), lokalizacja;
•
dane o obiekcie: powierzchnia/kubatura budynku, ilość osób korzystających z budynku, data budowy,
zrealizowane działania termomodernizacyjne;
•
dane o źródle energii: zdefiniowanie informacji o wykorzystywanych instalacjach grzewczych (typ źródła,
określenie instalacji na ogrzewanie, przygotowanie ciepłej wody, potrzeby technologiczne). Większość
wymaganych danych będzie oparta na systemie słownikowym, w którym będzie zawierał typoszeregi
urządzeń, instalacji z uwzględnieniem rodzaju spalanego paliwa, mocy, sprawności, etc.
W programie obliczenia będą przeprowadzone dla standaryzowanych odbiorców i na podstawie uproszonych
standaryzowanych danych. W tabeli 4.1 opisano wymagane podstawowe cechy odbiorcy.
Tabela 4.1
Podstawowe cechy obiektu
Kategorię odbiorcy
Budownictwo: jednorodzinne, wielorodzinne, użyteczności publicznej, szkoły, etc..
Lokalizację
Gmina, Miejscowość, adres (opcjonalnie). Na tej podstawie następuje automatycznie
przypisanie danych wejściowych, np.: strefa klimatyczna, średnie temperatury, etc
Wielkość budynku
Powierzchnia budynku, z uwzględnieniem kategorii odbiorcy i zakresu termomodernizacji
tworzy podstawę dla określenia wymaganej mocy szczytowej oraz zapotrzebowanie roczne
energii na ogrzewanie pomieszczeń
Ilość lokali mieszkalnych
Jest podstawą dla określenia szczytowego zapotrzebowania mocy na ciepłą wodę i ciepło
dla przygotowania posiłków
Liczbę mieszkańców
Na podstawie, której określane jest roczne zużycie energii na ciepłą wodę, energii na
przygotowanie posiłków
Źródła energii
Użytkownik powinien mieć możliwość dodania nowego źródła,jeżeli będzie znał
podstawowe parametry: moc, paliwo, sprawność, emisje zanieczyszczeń.
W przypadku braku danych istnieje możliwość wyboru źródła wzrocowego na podstawie
tablicy źródeł zaimplementowanych w progamie.
W przypadku odbiorców indywidualnych często występuje substytucja źródeł
przygotowania CWU w obrębie roku. Latem ciepła woda przygotowywana jest w oparciu o
jedno źródło (np. energia elektryczna), natomiast zimą w oparciu o źródło centralnego
ogrzewania. W celu prawidłowej oceny wielkości zużycia poszczególnych mediów, należy
określić zakres tej substytucji
Dane Eksploatacja/Zapotrzebowanie
Obliczenie zapotrzebowania na moc i zużycie energii dla wybranego budynku będzie odbywało się w oparciu
o rzeczywiste zużycie paliwa lub energii, tj. na podstawie faktur zakupu paliwa oraz odczytów z liczników.
Wymagane będzie zebranie i sumowanie poszczególnych paliw w danym roku w zależności od przeznaczenia
(ogrzewanie, ciepła woda, potrzeby technologiczne).
30
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Wyliczenie zużycia ciepła będzie odbywało się na podstawie średnich wartości opałowych paliwa. Wyniki będą
przedstawione w podziale na: energię użytkową, wynikającej z zapotrzebowania budynku oraz energię końcową
uwzględniającą straty związane z wytwarzaniem i przesyłem.
Zapotrzebowanie cieplne budynku referencyjnego
Budynek referencyjny jest to typowy budynek o danym przeznaczeniu, wielkości oraz roku budowy. Moduł będzie
wyznaczał referencyjne zapotrzebowanie na moc i energię cieplną oraz ilość zużywanego paliwa w podziale na
funkcje cieplne (ogrzewania, ciepła woda). Obliczenie referencyjnego zapotrzebowania będzie odbywało się przy
zdefiniowanym źródle ciepła dla rzeczywistego budynku oraz danych wejściowych np. średnie temperatury w ciągu
roku.
Analiza porównawcza
Zadaniem analizy będzie porównanie rzeczywistego zużycia energii i kosztów paliw/mediów z odpowiednimi
wielkościami wynikającymi z zużycia przez budynek referencyjny lub obiektu o zbliżonym wykorzystaniu. Na tej
podstawie użytkownik będzie mógł skonfrontować rzeczywiste zapotrzebowanie na ciepło swojego budynku
i ewentualnie określić wstępnie przyczyny odchyleń zużycia rzeczywistego od normatywnego. Analiza
porównawcza pozwoli także na hierarchizację pod kątem największym odchyleń w porównaniu do normatywnego
zapotrzebowania na ciepło zasobów gminnych. Pozwoli to na
wytypowanie
budynków najbardziej
energochłonnych, które powinny zostać w pierwszej kolejności objęte procesem termomodernizacji.
Analiza porównawcza umożliwi również na bieżące monitorowanie (z roku na rok) zapotrzebowania cieplnego
budynku i ewentualne zidentyfikowanie odchyleń w porównaniu do normatywnego, co pozwoli na doraźne
wprowadzenie działań zaradczych, np. kontrolę warunków eksploatacji obiektu.
Działania termomodernizacyjne
Program będzie zawierał symulację działań termomodernizacyjnych i wpływ proponowanych działań na całkowite
zapotrzebowanie cieplne budynku. Wybór poszczególnych typów modernizacji (ocieplenie ścian, wymianę okien,
modernizację systemu cieplnego, instalacji cieplnej, etc.) pozwoli na ocenę opłacalności wybranych działań oraz na
wytypowanie inwestycji, które należy wykonać w pierwszej kolejności. Piorytetyzacja modernizacji obiektów
pozwoli użytkownikowi na zwiększenie efektywności wydawanych środków na działania poprawiające efektywność
energetyczną.
System raportów i zestawień
Rozbudowany system raportów i zestawień technicznych (ilość energii, paliw, mediów), finansowych (koszty
energii, paliw) oraz środowiskowych (emisji) pozwoli na kontrolę określonych wielkości w skali pojedynczego
budynku, wybranych kategorii lub w skali gminy.
31
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Rysunek 4.1
Schemat zarządzania energią przy wykorzystania kalkulatora energetycznego
4.2 Aplikacja
Na rysunku 4.2 przedstawiono koncepcję systemu informatycznego. Baza danych będzie składała się z kilku części.
Najważniejszymi danymi wejściowymi są dane wewnętrzne aplikacji oraz dane użytkownika. Dane wewnętrzne
aplikacji są specjalistycznymi danymi z zakresu energetyki i budownictwa oraz ekologii niezbędnymi do realizacji
obliczeń. Do tych danych należą dane klimatyczne np. średnie temperatury w danych miesiącach, zdefiniowane typy
palenisk, które można przyporządkować do konkretnych urządzeń grzewczych lub innych energetycznych cechujące
się daną konstrukcją (np. kocioł z rusztem mechanicznym i wymuszonym obiegiem powietrza) oraz wykorzystujący
dany typ paliwa. W danych tych będą zawarte również wartości opałowe paliw, które będą spalane. Ten parametr
wraz ze sprawnością paleniska jest niezbędny do wyznaczenia zapotrzebowania paliwa zależnie od potrzeb energii
cieplnej dla obiektu. W zależności od sposobu wykorzystania budynku oraz zakresu dostawy ciepła będziemy mieli
inne roczne zapotrzebowanie energii przypadające na powierzchnię jednostkową lub 1 m3 kubatury.
W pomieszczeniach służących do celów przemysłowych w których na stałe nie przebywają ludzie nie ma wymogów
utrzymywania temperatur takich jak w szpitalach czy żłobkach. Zatem przeznaczenie budynku wpływa na
jednostkowe zużycie energii. Z powyższego wprowadzono kategorię odbiorców aby uwzględnić różne sposoby
32
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
wykorzystania obiektu budowlanego. Te dane są uzupełnione i użytkownik końcowy nie musi ich analizować.
Natomiast drugą kategorią danych wejściowych są dane użytkownika. Tu należy wprowadzić dane o odbiorcach,
danych technicznych ich budynku. Na podstawie danych technicznych budynku oraz sposobie jego użytkowania
(kategoria budynku) silnik obliczeniowy wykorzystując dane wewnętrzne wyznacza moc i roczne zapotrzebowanie
na energię na cele ogrzewania, ciepłej wody i inne (jakie obiekt zużywa). Jeśli będziemy znali parametry
wykorzystywanych źródeł energii oraz które źródło zasila odbiorcę możemy wyznaczyć jakie będzie roczne zużycie
poszczególnych paliw. W jednym kotle możemy wykorzystywać różne typy paliw. Z tego względu źródła muszą
uwzględniać kombinacje kilku palenisk. Ponadto w niektórych obiektach mogą być wykorzystywane kilka różnych
źródeł energii. Z tego względu pojedyncze źródło może zawierać kilka palenisk a wytworzona całkowita energia
dzieli się na każde palenisko. Ponadto jedno źródło może zasilać kilku odbiorców np. kotłownia osiedlowa,
elektrociepłownia. Te dane są zależne od struktury połączeń odbiorca – źródło. Stanowią one dane użytkownika,
które muszą być wprowadzone dla danego obszaru aby wyznaczyć dla niego zużycie poszczególnych paliw. Na
podstawie zużycia paliw można wyznaczyć emisję gazów i pyłów. Z tego względu wymagane będzie system baz
danych stanowiący relacyjny serwer baz i samą bazę danych. Zawierać ona będzie dane wejściowe tj. dane
wewnętrzne oraz użytkownika oraz wyjściowe – wartości emisji gazów i pyłu wytworzonych w danym źródle
przypadające na danego odbiorcę. Wartości te będziemy prezentować w postaci zależnej od wymaganych zestawień.
Do ich generowania wykorzystywany moduł raportów. Postać ich i zakres analizowanych odbiorców czy źródeł
wybierany jest przez użytkownika. Wyniki samego raportu, jak i dane dotyczące jego rodzaju nie będą zapisywane
ponieważ powiększałyby liczbę przechowywanych rekordów w poszczególnych tabelach, co mogłoby wpływać na
zbyt duży wzrost rozmiaru plików bazy danych. Najważniejszym elementem całego systemu informatycznego jest
silnik obliczeniowy. Na podstawie danych wejściowych będzie oszacowywał zarówno moc jak i roczną energię
spożytkowany w dany sposób. Moc i roczna energią będą wyznaczane w zależności od kategorii odbiorcy, rodzaju
energii na podstawie modelu utworzonego na podstawie danych z audytów energetycznych lub od użytkowników
tych obiektów. Model powstanie na podstawie badań. Do budowy modelu zostaną wykorzystane sieci neuronowe.
Na podstawie zabranych danych zostaną utworzone zestaw danych uczących i zestaw danych testowych. Gdy
zostaną wyznaczone potrzeby energetyczne analizowanego obiektu za pomocą modelu neuronowego numeryczna
część silnika obliczeniowego na podstawie danych wejściowych wyznacza zapotrzebowanie na paliwa. Z kolei
drugą główną funkcjonalnością silnika obliczeniowego jest na podstawie faktycznego zużycia paliw lub zmierzonej
energii (np. na podstawie faktur, odczytów liczników) oraz danych wejściowych wyznaczane są energia
zapotrzebowana oraz wartości emisji.
Pomiędzy poszczególnymi elementami występują następujące zależności. Użytkownik bezpośrednio współpracuje
z graficznym interfejsem GUI (ang. graphical user interface). Na podstawie wybranego menu może on wywołać
okna do wprowadzania lub modyfikacji danych wejściowych, których efekt zapisywany jest w bazie. Ten fakt
zaznaczono strzałkami. Moduł obliczeniowy oraz interfejs użytkownika GUI współpracuje z systemem bazy danych
dwukierunkowo. GUI najpierw odczytuje dane z bazy oraz przesyła instrukcje ich aktualizacji. Silnik obliczeniowy
najpierw wczytuje dane wejściowe dot. danych odbiorców a następnie wyniki zapisuje w odpowiednich tabelach.
Z wyników tych korzystają pozostałe moduły np. dot. raportów.
33
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Rysunek 4.2
Koncepcja programu
W ramach etapu drugiego dotychczas została wykonana struktura bazy danych oraz powiązania pomiędzy
odpowiednimi obiektami. Poniżej przedstawiono tablice opisujące odbiorcę energii, jego parametry techniczne oraz
sposób użytkowania obiektów budowlanych oraz powiązania do źródeł.
Na rysunku 4.2 przedstawiono schemat częściowy dotyczący odbiorcy(obiektu). Pełen schemat relacyjny
przedstawiono na rysunku 4.11. Na schemacie dotyczącym odbiorcy tabela DaneOdbiorcy zawiera podstawowe
nietechniczne dane odbiorcy poza rodzajem odbiorcy. Tabela DaneOdbiorcy powiązana jest z tabelą Lokalizacje.
Lokalizacja służy do zdefiniowania np. części miejscowości lub ulicy jeśli w danej miejscowości zdefiniowano
ulice. Jest ona określona na podstawie Krajowego Rejestru Urzędowego Podziału Terytorialnego Kraju (TERYT)
udostępniany przez Główny Urząd Statystyczny. Pliki XML zostały odpowiednio przetworzone i zaimportowane do
bazy danych. Część bazy odpowiedzialna za identyfikację miejsc geograficznych na podstawie podziału
terytorialnego została przedstawiona na rysunku 4.4. Lokalizacja określa jednoznacznie miejsce w kraju
(województwo, powiat, gminę, miejscowość a nawet ulicę). Jednak ponadto lokalizacja określa stację
meteorologiczną z której będą pobierane dane pogodowe. Dane pogodowe mają wpływ na obliczenia
zapotrzebowania na energię cieplną danego budynku. Dodatkowo określany jest rejon bilansujący. Nie ma
ograniczenia aby dla tego samego miejsca geograficznego zdefiniować dwie lokalizacje np. dla starszych budynków
np. z lat 70-tych oraz osobną dla nowszych. Oczywiście opis zdefiniowanej lokalizacji powinien jednoznacznie
określać użytkownikowi, o jakie miejsce chodzi oraz jakiego typu budownictwa dotyczy. Relacje związane
34
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
z definicją lokalizacji zostały przedstawione na rysunku 4.6. Zatem adres obiektu określony jest poprzez lokalizację
oraz pole nr domu tabeli bazy DaneOdbiorcy.
Zużycie energii cieplnej zależne jest również od sposobu eksploatacji obiektu, co jest uwarunkowane jego
przeznaczeniem. W celu umożliwienia wyszukiwania obiektów o podobnej funkcji wprowadzono rodzaj odbiorcy
zdefiniowany w tabeli bazy danych RodzajOdbiorcy. Podobne rodzaje odbiorcy pogrupowane zostały w kategorie
odbiorcy. W tabeli 4.2 przedstawiono zdefiniowane rodzaje odbiorcy. Natomiast nazwy kategorii, których
identyfikatory są widoczne w tabeli 4.2 zostały zaprezentowane w tabeli 4.3. Tabela KategoriaOdbiorcy została
utworzona na podstawie przeprowadzonych badań statystycznych i każdej kategorii odbiorcy przyporządkowano
odmienną charakterystykę. Odbiorców skategoryzowano jak placówki oświatowe, urzędy itp. Charakteryzują się oni
inną liczbą dni w których przebywają ludzie w ciągu roku, faktem czy w obiekcie przygotowywane są posiłki,
zużyciem ciepłej wody użytkowej na osobę. Następnie każdą kategorię odbiorców podzielono na rodzaje np. w
kategorii odbiorców placówki służby zdrowia mamy następujące rodzaje: ośrodek zdrowia, szpital oraz zakład
opieki długoterminowej. Rodzaj odbiorcy służy do porównywania obiektów należących do tej samej grupy na
danym obszarze i ewentualnie tworzyć zestawienia.
Tabela 4.2
Zdefiniowane rodzaje odbiorcy
Identyfikator
Identyfikator kategorii
Nazwa
1
10
Ośrodek Zdrowia
2
10
Szpital
3
10
Zakład opieki długoterminowej
4
9
Szkoła podstawowa
5
9
Gimnazjum
6
9
Szkoła średnia
7
9
Przedszkole
8
9
Żłobek
9
8
Urząd miasta/gminy
10
8
Basen
11
8
Biblioteka
12
8
Miejski ośrodek kultury
13
1
budownictwo wielorodzinne
14
2
budownictwo jednorodzinne
15
3
zabudowa wiejska
16
4
duże gospodarstwa rolne
17
6
budynki handlowo-mieszkalne
18
7
placówki handlowo-usługowe
19
8
urzędy, instytucje, użyt. publicznej - inne
20
9
Inne placówki oświatowe
21
10
Inne placówki służby zdrowia
22
11
Zakłady przemysłowe
23
12
Oświetlenie ulic
35
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Tabela 4.3
Definicja kategorii odbiorców
Identyfikator
Nazwa
1
budownictwo wielorodzinne
2
budownictwo jednorodzinne
3
zabudowa wiejska
4
duże gospodarstwa rolne
6
budynki handlowo-mieszkalne
7
placówki handlowo-usługowe
8
urzędy, instytucje, użyt. publicznej
9
placówki oświatowe
10
placówki służby zdrowia
11
zakłady przemysłowe
12
oświetlenie ulic
Dane techniczne mające wpływ na zapotrzebowanie obiektu budowlanego na zapotrzebowanie energii
cieplnej jest tabela DaneOdbiorcyTech. Danymi podstawowymi mającymi wpływ na wynik obliczeń
zapotrzebowania budynku (obiektu) na energię cieplną są:
•
Rok budowy / modernizacji budynku [-],
•
ILM – ilość użytkowników / mieszkańców [-],
•
ILL – ilość lokali w budynku [-],
•
powierzchnia użytkowa budynku [m2],
•
kubatura budynku [m3],
•
czy budynek ma piwnicę [tak/nie],
•
liczba kondygnacji [-],
•
ewentualne zrealizowane termodernizacje np. wymiana okien, ocieplenie ścian.
Jeżeli w obiekcie wystąpiły modernizacje, zmiana liczby użytkowników lub liczby lokali np. modernizacje
zmieniające pole powierzchni ogrzewanych lub termomodernizacje zmieniające zapotrzebowanie na energię to w
tabeli tej pojawi się rekord dotyczący tego odbiorcy i rok tej zmiany.
Kolejną tabelą bazy danych widoczną na rysunku 4.3 jest konfiguracja. Określa ona związek pomiędzy
danymi technicznymi danego obiektu a źródłem energii oraz sposobem wykorzystania tej energii. Tabela
konfiguracja umożliwia określenie dla danego odbiorcy w danym roku (budowy lub modernizacji) jakie rodzaje
energii będą w obiekcie zużywane (patrz tabela 4.4) np. C.O. Pole rodzaj tabeli konfiguracja ma wartość równą
odpowiednio identyfikatorowi rodzaju energii przedstawiony w/w tabeli. Tabela dla każdego zadeklarowanego
rodzaju energii umożliwia przechowywanie mocy oraz rocznej energii zapotrzebowanej. Dane te zostaną wyliczone
na podstawie parametrów technicznych oraz danych pogodowych po wprowadzeniu jego danych. Na podstawie
mocy i pozostałych parametrów technicznych budynku wyliczana jest roczna energia. Są to moce i energia
przypadające dla konkretnego odbiorcę przez określone źródło. Dodatkowo dla tego samego odbiorcy posiadającego
ten sam stan techniczny obiektu oraz eksploatującego go w ten sam sposób mogą zmienić się źródła, z których
pobierana jest energia. Odbiorca wcześniej posiadał kocioł indywidualny centralnego ogrzewania a w pewnym roku
36
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
przyłączył się do miejskiej sieci ciepłowniczej. Innym przykładem jest wymiana starego kotła indywidualnego na
kocioł retortowy wyposażony w układ automatyki. W takiej sytuacji będziemy mieli z innymi sprawnościami
źródeł, innymi rodzajami paliw. Paliwa charakteryzują się różną wartością opałową. W zależności od źródła i paliwa
mamy odpowiednie współczynniki emisji. Zatem zmiana konfiguracji źródeł ma duży wpływ na ilości zużytego
paliwa oraz wartości emisji zanieczyszczeń powietrza.
Definicja typów energii, używane w tabeli konfiguracja została przedstawiona w tabeli 4.4.
Tabela 4.4
Zdefiniowane rodzaje energii
Identyfikator
Nazwa
opis
1
CO
Energia zużyta na ogrzewanie pomieszczeń
2
CWU
Energia zużyta do ogrzewania wody użytkowej
3
TE
Ciepło do przygotowania posiłków lub ciepło technologiczne
37
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Rysunek 4.3
Schemat relacyjny częściowy związany z odbiorcami
38
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Na rysunku 4.4 zamodelowano podział terytorialny kraju na podstawie danych z GUS. GUS prowadzi rejestr
TERYT. Został on wykorzystany do zbudowania bazy miejscowości dotyczący całej Polski łącznie z ulicami. W
tabeli miejscowości występują też nazwy części miejscowości np. dzielnic. Wówczas są one połączone do innego
wiersza w tej tabeli za pomocą pola wskazującego miejscowość główną. Stąd relacja wewnętrzna w tabeli
miejscowości. Podczas wyświetlania danych została ograniczona lista miejscowości tylko do miejscowości
podstawowych. Powoduje to ułatwienie pracy a ponadto ulice są przyporządkowane miejscowościom
podstawowym. Reszta relacji jest znana. Województwa zawierają powiaty. Powiaty zawierają gminy. W gminie
znajdują się miejscowości a w niektórych miejscowościach znajdują się ulice. Import danych geograficznych
zrealizowano w oparciu o następujące pliki:
1.
TERC.XML - wykaz jednostek podziału terytorialnego,
2.
SIMC.XML - wykaz miejscowości ,
3.
ULIC.XML - wykaz ulic.
Podczas importu danych XML zadbano o utworzenie unikalnych kluczy prostych dla każdego obiektu aby
jednoznacznie identyfikować każdy obiekt np. każdą miejscowość oraz stworzyć jednoznaczne relacje. Dodatkowo
podczas importu pliku Terc.xml należało zadbać o następującą kolejność czynności tzn. wyszukanie i import
najpierw województw, następnie powiatów a ostatniej kolejności gminy. Czynność ta wymagała wstępnej konwersji
niemałej ilości danych. Należy nadmienić, iż pliki te nie są typowymi plikami XML-owymi ze zdefiniowaną
strukturą. Ponadto pliki mogłyby być już podzielone na województwa, powiaty itp.
Rysunek 4.4
Jednostki podziału terytorialnego na podstawie danych z GUS
39
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Na rysunku 4.5 przedstawiono relację pomiędzy następującymi tabelami: RodzajOdbiorcy, KategoriaOdbiorcy,
krzywe_CO, dane_krzywe_CO. Ze schematu tego wynika, że znając rodzaj odbiorcy (określony w polu
id_rodzaj_odbiorcy
tabeli
DaneOdbiorcy)
jednoznacznie
wyznaczymy
kategorię
odbiorcy.
Tabela
KategoriaOdbiorcy
zawiera szczegółowe dane statystyczne wynikające ze sposobu użytkowania obiektów
budowlanych, co wpływa na zużycie ciepłej wody, zużycie energii na ogrzewanie. Do wyznaczenia tych
współczynników wykorzystano sieci neuronowe oraz pozyskane dane z audytów energetycznych. Dla danej
kategorii odbiorcy odpowiada jedna krzywa CO a dla tej krzywej odpowiednio rekordy z tabeli dane_krzywe_CO,
które rozróżniają współczynniki ze względu na rok budowy/modernizacji obiektu. Tabele te są wykorzystywane
podczas realizacji obliczeń.
dane_krzywe_CO
id_krzywej_CO
krzywe_CO
id
rok
nazwa
a
b
KategoriaOdbiorcy
id
RodzajOdbiorcy
id
nazwa
krzywa_CO
red_automatyka_CO
id_kategoriaOdbiorcy
nazwa
opis
zuzycie_CWU
ilosc_dni_przebywania
czy_przygotowane_posilki
moc_posilki
energia_posilki
czy_mieszkalny
wsk_wzrostu_EE
opis
Rysunek 4.5
Relacje rodzaju odbiorcy a dane krzywych nagrzewania CO
Na rysunku 4.6 zdefiniowano schemat dotyczący lokalizacji czy to odbiorców czy też źródeł zewnętrznych
np. osiedlowe kotłownie. W przypadku źródeł zlokalizowanych bezpośrednio u odbiorcy ich lokalizacja jest
identyczna jak samego odbiorcy. Zatem nie musi być uzupełniana. Lokalizację określa sama miejscowość jeśli w
niej nie ma ulic albo ulica należąca do konkretnej miejscowości. Zatem powinno być określone pole
id_miejscowosci i jeśli ona dotyczy konkretnej ulicy to dodatkowo musimy wypełnić pole id_ulicy. Lokalizacja też
określa dodatkowo najbliższą stację meteorologiczną, którą uzupełnić należy przed obliczeniami. Dla tej stacji będą
wybierane dane z tabel sezon_CO oraz strefy_klimatyczne. w celu wyznaczenia zapotrzebowania na energię cieplną
dla celów ogrzewania. Dane tabeli tej powinny być regularnie aktualizowane. Tabela lokalizacje zawiera
standardowy rok budowy. Jest to wartość domyślna jeśli odbiorca nie będzie miał uzupełnionego tego pola. Obszar
można podzielić na rejony. Zatem do stworzenia pojęcia lokalizacji wykorzystano Krajowy Rejestr Urzędowego
Podziału Terytorialnego Kraju (TERYT) tj. tabele miejscowosci i ulice i rozszerzono o dane meteorologiczne
związane z ciepłownictwem.
40
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
stacja_meteo
sezon_CO
id
id_stacji_meteo
jednostka
miesiac
adres
miejscowosci
id_gminy
id
nazwa
id_podst
rodzaj
dlugosc
tel
ilosc_dni_w_mies
id_miejscowosci
srednia_temp
nr_stacji
temperatura_w_mieszkaniu
nazwa_stacji
min_temp_na_zewnatrz
szerokosc
ilosc_stopnio_dni_w_sezonie
dlugosc
ilosc_stopnio_dni_max
nr_strefy_klimatycznej
szerokosc
strefy_klimatyczne
nr
ulice
lokalizacje
id
id
id_miejscowosci
id_miejscowosci
cecha
id_ulicy
nazwa1
id_stacji_meteo
nazwa2
opis
pelna_nazwa
standard_rok_budowy
proj_temp_zew
sr_roczna_temp_zew
rejon_bil
zasilanie_elektryczne
zasilanie_gazowe
Rejony
id
nazwa
Rysunek 4.6
Definicja lokalizacji
Na rysunku 4.7 zdefiniowano schemat przedstawiający wytwarzanie energii na podstawie różnych paliw i w
różnych paleniskach. W tabeli paliwa zdefiniowano parametry samych paliw, a w szczególności wartość opałową,
jednostki dot. ilości np. tony, jednostki dot. ceny np. PLN/tony, jednostki dot. wartości opałowej GJ/tonę i
opcjonalnie cenę. Tabele pomocnicze JM_cena oraz JM_wartosc_opalowa umożliwiają zastosowania różnych
jednostek wartości opałowej oraz ceny. Następnie zdefiniowano tabelę paleniska. Palenisko stanowi miejsce w
którym przebiega proces spalania. Jej głównym celem jest zdefiniowanie przy jakim rodzaju kotła i jego przedziału
mocy jaka jest jego sprawność. W zależności od wybranego paleniska oraz spalanego w nim paliwa otrzymujemy
różne współczynniki emisji zanieczyszczeń powietrza SO2, NOx, CO2, CO oraz pyłu. W tym celu zdefiniowano
tabelę paleniska_emisje. Dlatego w tabeli paliwa nie zdefiniowano pól dotyczących samej emisji. Tabela
paleniska_emisje umożliwia definicję używania kilku paliw w tym samym palenisku. Jak również te samo paliwo
może być wykorzystane w różnych paleniskach. Palenisko stanowi zatem szablon źródła energii. Zobrazowaniem
konkretnego źródła energii posiadającego konkretną lokalizacje jest źródło, które przechowywane jest w tabeli
DaneZrodel. Jeżeli informacja o lokalizacji źródeł nie będzie wykorzystywana np. w zestawieniach wówczas w
bazie wystarczy zdefiniować po jednym źródle dla każdego wykorzystywanego paleniska a wynik obliczeń nie
zmieni się. Zatem zaprojektowany schemat częściowy umożliwia elastyczne definiowanie wykorzystywania wielu
paliw w jednym kotle lub wielu paliw w kilku kotłach. Dodatkową tabelą pomocniczą jest JM_emisji umożliwiająca
używanie różnych jednostek emisji. Ponadto w tabeli DaneZrodel zdefiniowano opcjonalne pole P - moc źródła.
Jeśli ta dana jest znana to należy ją wpisać np. z tabliczki znamionowej. W celu identyfikacji źródła należy użyć
odpowiedniej nazwy, aby była rozpoznawana przez użytkownika.
41
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Rysunek 4.7
Schemat powiązań palenisk i danych źródeł
Na rysunku 4.8 przedstawiono podstawowe relacje definiujące konkretne źródło energii w określonej
lokalizacji, mające swojego właściciela i posiadające profil paliwowo-paleniskowy. Definicje listy paliw używanych
w źródle został zaprezentowany na rysunku 4.7 a w szczególności tabele: paleniska, paleniska_emisje i paliwa. Z
kolei na rysunku Błąd! Nie można odnaleźć źródła odwołania. pokazano również powiązanie tabeli DaneZrodel z
tabelą konfiguracje dotyczącą mocy i rocznego zapotrzebowania energii dla danego odbiorcy i jego konfiguracji
technicznej, sposobu użytkowania tej energii. Szczegóły dotyczące tych zależności zaprezentowano na rysunku 4.3
oraz 4.7. Tabela typ_zrodla ma tylko charakter informacyjny. Ze względu na to, że zarówno źródło może mieć
swoją lokalizację jak i odbiorca zatem do obu tych tabel występują relacje z tabelą lokalizacje. Tabela konfiguracje
jest elementem wiążącym konkretne źródło wykorzystywane u danego odbiorcy z określoną konfiguracją i w
określonym celu np. C.O.
42
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Rysunek 4.8
Schemat definicji źródła energii
43
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Rysunek 4.9
Relacje zapotrzebowanie
Na rysunku 4.9 przedstawiono tabelę zapotrzebowanie. Zawiera ona identyfikator paliwa, jego ilość, energię w
paliwie wyliczoną na podstawie wartości opałowej tego paliwa oraz energię udział jest to energia w paliwie
pomnożona przez sprawność paleniska. Dane te dotyczą teoretycznych wyników obliczeń na podstawie danych
technicznych przechowywanych w DaneOdbiorcyTech, paliwa oraz paleniska i paleniska_emisje. W tabeli
Zapotrzebowanie znajdują się pola dotyczące wielkości emisji wyrażonej w kg powstałej ze spalenia teoretycznej
ilości tego paliwa w tym palenisku. Jeśli w danym palenisku wykorzystuje się kilka paliw to w tabeli
Zapotrzebowanie będzie dla każdego paliwa danego paleniska odpowiadał osobny wiersz. Zapotrzebowania dotyczą
konkretnej konfiguracji technicznej i energii zużywanej na konkretny cel (wiersz tabeli konfiguracja) w danym roku
kalendarzowym.
Stąd
tabela
pośrednia
pomiędzy
tabelami
Zapotrzebowania
i
konfiguracja
–
wynikiZapotrzebowania.
44
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Rysunek 4.10 Relacje ZuzyciaPaliwEmisje
Na rysunku 4.10 przedstawiono relacje dotyczące tabeli ZuzyciaPaliwEmisje. Dane te dotyczą faktycznie zużytych
paliw w danym roku kalendarzowym określonego odbiorcę o zdefiniowanej konfiguracji technicznej (tabela
konfiguracje). Schemat relacyjny jest podobny do schematu dotyczącego zapotrzebowania.
Na rysunku 4.11Błąd! Nie można odnaleźć źródła odwołania. znajduje się pełen schemat relacyjny bazy danych.
Ze względu na jego złożoność wyżej omawiano poszczególne części tego schematu co ułatwiło jego analizę.
45
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Rysunek 4.11 Pełen schemat relacyjny bazy danych
System baz danych został utworzony w środowisku Microsoft SQL Server 2012. Aplikacja do komunikacji z bazą
danych wykorzystuje bezobsługową wersję lokalną serwera baz danych – Microsoft SQL Server 2012 Express
46
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
LocalDB. Informacje podstawowe znajdują się na stronie producenta. Ze względu na użyty aparat bazodanowy
wymaganiem aplikacji będzie system operacyjny Windows Vista lub nowszy. System operacyjny Windows XP nie
będzie obsługiwany. Aplikacja będzie pracowała lokalnie na komputerze a wykorzystywane dane nie muszą być
udostępniane wielu użytkownikom w sieci komputerowej/Internecie. Każdy użytkownik będzie pracował na swoich
danych i nie ma potrzeby tworzenia komercyjnego centralnego serwera baz danych. Z tego względu zastosowano
lokalną bazę danych. Dzięki temu nie wymaga się instalacji, konfiguracji oraz zaawansowanej administracji
serwerem baz danych. Ewentualne pobranie programu instalacyjnego z bibliotekami połączeniowymi jest możliwe
z tej strony, gdzie również podano wymagana programowe i sprzętowe.
47
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
5 Korzyści z zastosowania kalkulatora energetycznego
Celem projektu jest poprawa efektywności energetycznej i redukcja emisji zanieczyszczeń poprzez aktywne
zarządzanie energią i inwestycjami w obszarze budownictwa. Przez działania inwestycyjne należy rozumieć
różnego typu termomodernizacje (zmiana właściwości technicznych budynku, źródła energii, etc.), natomiast
bezinwestycyjne m.in. regulację instalacji grzewczych, zapewniająca optymalną z punktu widzenia zużycia energii
i komfortu cieplnego temperaturę w pomieszczeniach, racjonalizację zużycia energii przez osoby korzystające
z budynków, etc.
Kalkulator energetyczny nie przyczynia się bezpośrednio do uzyskania zamierzonych efektów potencjalnych
działań. Jest narzędziem informatycznym wspierających JST w zakresie inwestycyjnego i bezinwestycyjnego
ograniczania
zużycia
energii
i
emisji
zanieczyszczeń,
poprzez
identyfikację
potencjalnych
przyczyn
ponadnormatywnego zużycia. Wykorzystanie kalkulatora pozwoli potencjalnemu użytkownikowi wybrać
optymalne rozwiązania z punktu widzenia poprawy efektywności energetycznej, efektu ekologicznego oraz
ekonomicznego.
W
kolejnych
podrozdziałach
przedstawiono
wykorzystanie
kalkulatora
dla
typowego
budynku
jednorodzinnego w Gminie Miastko. Obliczenia wykonano pod kątem poprawy efektywności energetycznej,
wpływu proponowanych działań na wielkość emisji zanieczyszczeń oraz efektu ekonomicznego zaproponowanych
działań modernizacyjnych.
5.1 Podstawowe dane o obiekcie
Podstawowe informacje o analizowanym budynku jednorodzinnym zostały przedstawione w tabeli 5.1.
Tabela 5.1
Podstawowe dane wymagane o obiekcie w kalkulatorze energetycznym
DANE OBIEKTU – STAN ISTNIEJĄCY
Charakterystyka budynku
x wolnostojący
□ bliźniak
□ szeregowiec
□ budynek wielorodzinny
Adres budynku
Gmina Miastko
Dotychczasowe działania termomodernizacyjne
Brak
□
Ocieplenie ścian:
Ocieplenie dachu/stropodachu
□ TAK x NIE
□ TAK x NIE
Ogrzewana powierzchnia, m2:
120
Liczba osób zamieszkujących:
6
Rok budowy
1968
Okna w budynku
Typ
Stan techniczny
x PCV
x dobry
□ drewniane nowego typu
□ drewniane starego typu
□ dostateczny
□ zły
CO - ogrzewanie budynku
Źródło indywidulane
□ miejski system ciepłowniczy
□ kotłownia lokalna (osiedlowa)
x źródło indywidualne:
□ piec kaflowy
□ etażowe
□ ogrzewanie centralne
inne źródło: □ kominek
Rodzaj spalanego paliwa
Moc źródła, kW 25
Rok produkcji 2006
Szacunkowe zużycie paliwa w ciągu
roku [tony / m3 / GJ] 5 ton węgla/5m3
drewna
Stan techniczny kotła
x dobry □ dostateczny □ zły
x węgiel -ekogroszek
□ węgiel - miał
□ węgiel - inne
□ gaz ziemny
□ gaz płynny (propan,
butan)
□ energia elektryczna
□ olej opałowy
x drewno
□ pelety
□ słoma
□ pompa ciepła
□ inne (jakie)............
CWU – przygotowanie ciepłej wody
□ TAK x NIE (wskaż które)
x elektryczne przepływowe □ elektryczne pojemnościowe (tzw. bojler) □ inne
Jedno źródło ciepła do ogrzewania pomieszczeń i przygotowania ciepłej wody
□ gazowe (tzw. „junkers”) □ kolektory słoneczne
(jakie)............................
48
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
W ramach planowanych zmian właściciel domku jednorodzinnego planował przeprowadzenie działań
termomodernizacyjnych, m.in.: ocieplenie ścian zewnętrznych oraz zmiany w sposobie przygotowania ciepłej wody
poprzez instalacje kolektorów słonecznych.
5.2 Poprawa efektywności energetycznej
Dla budynku jednorodzinnego o parametrach technicznych przedstawionych w tabeli 5.1 analizowano następujące
warianty modernizacji:
•
modernizacja_1: docieplenie zewnętrznych przegród budowlanych;
•
modernizacja_2: docieplenie zewnętrznych przegród budowlanych oraz ocieplenie stropodachu.
W tabeli 5.2 przedstawiono porównanie podstawowych wskaźników zapotrzebowania (energia użytkowa, zużycia
paliwa) dla stanu istniejącego oraz analizowanych wariantów.
Tabela 5.2
Porównanie energii użytkowej oraz zużycia paliwa na ogrzewanie - stan istniejący i poszczególne
warianty modernizacji
Wyszczególnienie
Stan aktualny
Energia użytkowa (ogrzewanie)
Zużycie paliwa
na ogrzewanie
budynku
Modernizacja_1
Modernizacja_2
MWh
38
27.5
24.4
Ekogroszek
ton
5.5
4.0
3.5
Drewno
m3
5.5
4.0
3.5
Z powyższych danych wynika, że w zależności od wariantu modernizacji uzyskano poprawę efektywności
energetycznej budynku o:
•
modernizacja_1:
30%;
•
modernizacja_2:
37%.
5.3 Efekt ekologiczny
5.3.1 W wyniku przeprowadzenia działań termomodernizacyjnych
Efekt ekologiczny sensie praktycznym oznacza zmniejszenie ilości zanieczyszczeń wprowadzanych do
środowiska w relacji przed i po rozpoczęciu eksploatacji nowych urządzeń, będących przedmiotem inwestycji.
Poniżej w tabeli 5.3 przedstawiono efekt ekologicznych analizowanych wariantów modernizacji.
Tabela 5.3
Wielkość poszczególnych emisji dla stanu aktualnego i rozważanych wariantów termomodernizacji
Wyszczególnienie
Stan aktualny
Modernizacja_1
Modernizacja_2
Tlenki siarki SO2
kg
34,.5
25.1
22.3
Tlenki azotu NOx
kg
42.1
30.6
27.2
Tlenki węgla CO
kg
115.4
83.9
74.5
Pyły
kg
20.4
14.8
13.1
Dwutlenek węgla CO2
kg
10 475
7 616
6 760
Na rysunku 5.1 uzyskane wyniki przedstawiono graficznie. Na rysunku wielkość emisji dla poszczególnych
zanieczyszczeń podano w kg/rok, jedynie dla CO2 wyniki przedstawiono w t/rok.
49
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Rysunek 5.1
Zmiana wielkości emisji w zależności od zrealizowanych działań termomodernizacyjnych
5.3.2 W wyniku zainstalowania kolektorów słonecznych na potrzeby c.w.u.
W obliczeniach przyjęto udział kolektora słonecznego na potrzeby przygotowania ciepłej wody na poziomie
0,45. Współczynnik ten stanowi średni roczny udział wykorzystania kolektorów słonecznych na potrzeby c.w.u.
w Gminie Miastko w wyniku zrealizowanych dotychczas prac.2
Zużycie paliw przed i po zainstalowaniu kolektora słonecznego przedstawiono w tabeli 5.4.
Tabela 5.4
Porównanie energii użytkowej oraz zużycia paliwa na potrzeby c.w.u. - stan istniejący oraz
w wariancie z wykorzystaniem kolektorów słonecznych
Wyszczególnienie
Energia użytkowa (c.w.u.)
Zużycie paliwa
na potrzeby
c.w.u.
Przy wykorzystanie
kolektora słonecznego
Stan aktualny
MWh
4.46
4.46
Energia
elektryczna
MWh
4.95
2.95
Kolektor
słoneczny
MWh
0
2.0
Przy obliczeniu wielkości emisyjności dwutlenku węgla dla produkcji energii elektrycznej przyjęto referencyjny
wskaźnik na poziomie 0,812 Mg CO2/MWh [18]. Korzyści ekologiczne zastosowanie kolektora słonecznego na
potrzeby c.w.u. w postaci redukcji CO2 zostały przedstawione w tabeli 5.5.
Tabela 5.5
Wielkość emisji CO2 dla stanu aktualnego oraz przy wykorzystaniu kolektora słonecznego na
potrzeby c.w.u.
Wyszczególnienie
Dwutlenek węgla CO2
Stan aktualny
Mg CO2
Przy wykorzystanie
kolektora słonecznego
4.036
2.412
Przy założonym udziale kolektorów słonecznych w zaspokajaniu potrzeb związanych z c.w.u. dla domku
jednorodzinnego o parametrach przedstawionych w rozdziale 5.1, obliczona ilość energii wynosi ok. 2 MWh
rocznie. Na tej podstawie możemy dokonać wstępnego doboru kolektorów słonecznych przy wykorzystaniu
kalkulatora energetycznego. Przy założeniach:
•
obliczone zapotrzebowania na potrzeby c.w.u. z kolektora słonecznego: 2 MWh
2
Gmina Miastko aktywnie w ostatnich latach wdrażała programy wykorzystania kolektorów słonecznych na swoim
terenie. Obecnie wykorzystuje się ponad 400 kolektorów zainstalowanych u odbiorców indywidualnych oraz
budynkach publicznych.
50
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
•
standardowa, przyjęta w kalkulatorze energetycznym, średnia powierzchnia brutto jednego kolektora
słonecznego 2 m2,
należy zainstalować 2 lub 3 kolektory słoneczne.
5.4 Efekt ekonomiczny
Projekcję finansową termomodernizacji przeprowadzono na podstawie kalkulacji wolnych przepływów
finansowych dla właścicieli kapitału własnego oraz wierzycieli (Free Cash Flow to Firm). Przepływy FCFF
dyskontowane są średnim ważonym kosztem kapitału (WACC). Na podstawie wolnych przepływów finansowych
obliczone zostały (o ile było to możliwe) następujące wskaźniki opłacalności inwestycji:
•
wartość zaktualizowana netto (Net Present Value - NPV) – określająca jako nadwyżkę
zaktualizowanych przychodów netto nad poniesionymi nakładami początkowymi lub równoważnie
nadwyżka zaktualizowanego zysku netto nad alternatywnym zyskiem z inwestycji o wewnętrznej stopie
zwrotu równej przyjętej stopie dyskonta, projekt jest rentowny gdy NPV≥0;
•
wewnętrzna stopa zwrotu (Internal Rate of Return - IRR) – określająca stopę zwrotu netto wyrażaną,
jako roczna stopa rentowności, projekt jest rentowny gdy IRR≥ stopy dyskonta;
•
prosty okres zwrotu (Simple Pay Back Time - SPBT) - czas potrzebny do odzyskania nakładów
inwestycyjnych poniesionych na realizację danego przedsięwzięcia, jest liczony od momentu
uruchomienia inwestycji do chwili, gdy suma korzyści uzyskanych w wyniku realizacji inwestycji
zrównoważy poniesione nakłady;
•
zaktualizowany okres zwrotu (Discounted Pay Back Time - DPBT) - czas potrzebny do odzyskania
nakładów inwestycyjnych poniesionych na realizację danego przedsięwzięcia, wyznaczany na podstawie
zdyskontowanych przepływów pieniężnych netto;
•
nakład na jednostkową redukcję zużycia nośnika energii – wskaźnik stanowiący iloraz poniesionego
nakładu inwestycyjnego oraz łącznego wolumenu oszczędności nośnika energii w okresie realizacji
projektu.
5.4.1 W wyniku przeprowadzenia działań termomodernizacyjnych
W tabeli 5.6 przedstawiono podstawowe dane wykorzystane do obliczenia efektu ekonomicznego dla pierwszego
wariantu modernizacji obejmującego wykonanie docieplenia zewnętrznych przegród budowlanych.
Tabela 5.6
Podstawowe parametry wykorzystane do obliczenia efektu ekonomicznego
Wyszczególnienie
Dane
Bazowe zużycie paliw:
ekogroszek
5.5 t/rok
drewno
5.5 m /rok
3
Nakłady inwestycyjne na modernizację (wariant 1: docieplenie ścian zewnętrznych budynku):
2
powierzchnia ścian zewnętrznych
250 m
2
jednostkowy koszt docieplenia 1m powierzchni
Łączny koszt modernizacji
2
100 zł/m
25 000 zł
Zużycie paliw po modernizacji w wariancie 1:
ekogroszek
4 t/rok
drewno
4 m /rok
3
Roczna oszczędność paliwa po modernizacji:
51
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Wyszczególnienie
Dane
ekogroszek
1.5 t/rok
drewno
1.5 m /rok
3
Jednostkowe koszty zakupu paliw:
ekogroszek
700 zł/t
drewno
110 zł/m
3
Roczna oszczędność na kosztach zakupu paliwa
1 200 zł/rok
W tabeli poniżej zestawiono wskaźniki efektywności przedsięwzięcia termomodernizacyjnego przy założeniu 10letniego okresu uzyskiwania oszczędności w zużyciu nośników energii oraz braku wsparcia inwestycji ze środków
publicznych.
Tabela 5.7
Wskaźniki efektywności ekonomicznej przedsięwzięcia termomodernizacyjnego
Wskaźnik
Wartość zaktualizowana netto (NPV)
Jednostka
Wartość
[tys. PLN]
-15 452
Wewnętrzna stopa zwrotu (IRR)
[%]
-11,3%
Prosty okres zwrotu (SPBT)
[lat]
-
Zdyskontowany okres zwrotu (DPBT)
[lat]
-
Nakład na jedn. redukcji zużycia
[zł/MWh]
833
Przy przyjętych założeniach obliczone wskaźniki efektywności wskazują, że bez uzyskania dofinansowania
inwestycji przedsięwzięcie termomodernizacyjne jest ekonomicznie nieopłacalne, zarówno wskaźnik NPV jak i IRR
osiągają wartości ujemne zaś okres zwrotu wykracza poza założony horyzont analizy.
Arkusz do analizy wrażliwości, który został opracowany w ramach kalkulatora energetycznego, pozwala
ocenić wpływ wybranych parametrów początkowych projekcji na wskaźniki efektywności przedsięwzięcia
wyznaczane przy kalkulacji wolnych przepływów finansowych FCFF oraz wyznaczyć próg rentowności danego
parametru przy którym wartość zaktualizowana netto (NPV) osiąga wartość zero, czyli przedsięwzięcie
termomodernizacyjne jest neutralne z punktu widzenia opłacalności.
Arkusz umożliwia badanie wrażliwości w dwóch trybach: ręcznym i zautomatyzowanym. W trybie ręcznym
możliwa jest zmiana dowolnego parametru z listy, w dowolnym zakresie procentowym względem wielkości
przyjętej jako bazowa, i ocena skutków zmian na wskaźniki efektywności inwestycji.
W drugim trybie należy określić zakres zmienności parametru i aktywować obliczenia. Zostaną wówczas
wygenerowane zestawienia wskaźników opłacalności dla pięciu równo oddalonych od siebie wartości badanego
parametru w zadanym zakresie zmienności oraz jeśli będzie to możliwe, zostanie obliczona wartość parametru
stanowiąca próg rentowności. W tabeli 5.8 oraz na zestawiono wyniki analizy wrażliwości przedsięwzięcia
termomodernizacyjnego na poziom dofinansowania inwestycji ze środków publicznych. Wyniki wskazują, że próg
rentowności, przy którym korzyści w postaci oszczędności w zużyciu nośników energii równoważą poniesione
nakłady na termomodernizację, stanowi dofinansowanie na poziomie ok. 65%.
52
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Tabela 5.8
Wyniki analizy wrażliwości efektu ekonomicznego przedsięwzięcia termomodernizacyjnego ze
względu na poziom dofinansowania projektu ze środków publicznych.
Próg
rentowności
Dofinansowanie (% nakładów inwestycji)
Wskaźniki efektywności inwestycji
0%
Wartość
zaktualizowana
[tys. PLN]
netto (NPV)
Wewnętrzna stopa zwrotu
[%]
(IRR)
Prosty okres zwrotu (SPBT)
[lat]
Zdyskontowany okres zwrotu
[lat]
(DPBT)
Nakład na jedn. redukcji
[zł/MWh]
zużycia
Rysunek 5.2
20%
40%
60%
80%
[%]
-15 452
-10 674
-5 896
-1 117
3 661
-11,3%
-7,8%
-3,3%
2,9%
11,4%
-
-
-
8
4
-
-
-
-
6
833
833
833
833
833
65%
Zmiany wartości bieżącej netto (NPV) przedsięwzięcia termomodernizacyjnego w zależności od
wielkości uzyskanego dofinansowania
5.4.2 W wyniku zainstalowania kolektorów słonecznych na potrzeby c.w.u.
W tabeli 5.9 przedstawiono podstawowe dane wykorzystane do obliczenia efektu ekonomicznego przy
zastosowaniu kolektorów słonecznych na potrzeby c.w.u.
Tabela 5.9
Podstawowe parametry wykorzystane do obliczenia efektu ekonomicznego przy zastosowaniu
kolektora słonecznego
Wyszczególnienie
Dane
Bazowe zużycie paliw:
Energia elektryczna
Nakłady inwestycyjne na modernizację
4.95 MWh/rok
12 000 PLN
Zużycie paliw po zainstalowaniu kolektorów słonecznych:
53
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Wyszczególnienie
Dane
Energia elektryczna
3 MWh/rok
Kolektor słoneczny
2 MWh
Roczna oszczędność paliwa po modernizacji:
Energia elektryczna
2 MWh/rok
Jednostkowe koszty zakupu paliw:
Energia elektryczna
650 zł/MWh
Roczna oszczędność na kosztach zakupu paliwa
1 300 zł/rok
W tabeli poniżej zestawiono wskaźniki efektywności przedsięwzięcia polegającego na zmianie źródła na potrzeby
c.w.u. przy założeniu 10-letniego okresu uzyskiwania oszczędności w zużyciu nośników energii oraz braku
wsparcia inwestycji ze środków publicznych.
Obliczone wskaźniki efektywności wskazują, że bez uzyskania dofinansowania inwestycji przedsięwzięcie
polegające na zainstalowaniu kolektorów słonecznych na potrzeby c.w.u. charakteryzuje się niską opłacalnością
ekonomiczną, prosty okres zwrotu wynosi 9 lat.
Tabela 5.10
Wskaźniki efektywności ekonomicznej przedsięwzięcia - zainstalowanie kolektorów słonecznych na
potrzeby c.w.u.
Wskaźnik
Wartość
Jednostka
Wartość zaktualizowana netto (NPV)
[tys. PLN]
-1 784
Wewnętrzna stopa zwrotu (IRR)
[%]
1,5%
Prosty okres zwrotu (SPBT)
[lat]
9
Zdyskontowany okres zwrotu (DPBT)
[lat]
-
W tabeli 5.11 oraz na rysunku 5.3 zestawiono wyniki analizy wrażliwości efektu ekonomicznego przedsięwzięcia
przy zmianie poziomu dofinansowania. Wyniki wskazują, że próg rentowności, przy którym korzyści w postaci
oszczędności na kosztach pozyskania nośników energii równoważą poniesione nakłady na instalację kolektorów,
stanowi dofinansowanie na poziomie ok. 16%.
Tabela 5.11
Wyniki analizy wrażliwości efektu ekonomicznego przedsięwzięcia obejmującego zainstalowanie
kolektorów słonecznych na potrzeby c.w.u., ze względu na poziom dofinansowania projektu ze
środków publicznych
Próg
rentowności
Dofinansowanie (% nakładów inwestycji)
Wskaźniki efektywności inwestycji
0%
Wartość zaktualizowana netto
(NPV)
Wewnętrzna stopa zwrotu
(IRR)
10%
20%
30%
40%
[%]
[tys.
PLN]
-1 784
-637
509
1 656
2 803
[%]
1.5%
3.4%
5.7%
8.1%
10.9%
16%
Prosty okres zwrotu (SPBT)
[lat]
9
8
7
6
6
Zdyskontowany okres zwrotu
(DPBT)
[lat]
-
-
9
8
7
54
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
Rysunek 5.3
Zmiany wartości bieżącej netto (NPV) przedsięwzięcia zainstalowanie kolektorów słonecznych w
zależności od wielkości uzyskanego dofinansowania
55
Kalkulator energetyczny dla jednostek samorządu terytorialnego
LITERATURA
Normy
[1]
PN-EN 12831:2006 - Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia
cieplnego
[2]
PN-EN ISO 13790:2009 - Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczenia zużycia energii na
potrzeby ogrzewania i chłodzenia.
[3]
PN-EN ISO 6946:2008 - Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik
przenikania ciepła. Metoda obliczania
[4]
PN-EN 14351-1: 2007 - Okna i drzwi - norma wyrobu, właściwości eksploatacyjne cz.1: okn i drzwi
zewnętrzne bez właściwości dotyczących odporności ogniowej i/lub dymoszczelności
[5]
PN-EN ISO 13370: 2001 Właściwości cieplne budynków. Wymiana ciepła przez grunt. Metody obliczania
[6]
PN-EN ISO 14683:2008 Mostki cieplne w budynkach. Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metody
uproszczone i wartości orientacyjne
[7]
PN-EN 15316:2007 Instalacje grzewcze w budynkach - Metoda obliczenia zapotrzebowania na energię
instalacji i sprawności instalacji
Rozporządzenia
[8]
Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim
powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. Nr 75, poz. 690, z późn. zm.)
[9]
Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniające rozporządzenie sprawie
warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. nr 201 poz. 1238)
[10]
Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i gospodarki morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające
rozporządzenie sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie
(Dz. U. poz. 926 z dnia 13.08.2013)
[11]
Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 3.06.2014 w sprawie metodologii obliczania charakterystyki
energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość
techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej.
(Dz. U. nr 2014, poz. 888)
[12]
Ustawa z 21 listopada 2008 r. o wspieraniu termomodernizacji i remontów (Dz.U. nr 223, poz. 1459, z późn.
zm.).
Inne
[13]
Robakiewicz M.: Ocena cech energetycznych budynków. Wymagania - Dane - Obliczenia. Wydanie II,
Warszawa 2010
[14]
Strzeszewski M., Wereszyński P.: Norma PN-EN 12831 - Nowa metoda obliczenia projektowego obciążenia
cieplnego. Poradnik PURMO, Warszawa 2009
[15]
GUS: Efektywność wykorzystania energii w latach 2002-2012; Warszawa 2014, www.stat.gov.pl
[16]
Chudzicki J.: Instalacje ciepłej wody w budynkach; Biblioteka FPE 2006
Strony internetowe:
[17]
www.mir.gov.pl
[18]
http://www.kobize.pl/
56
Download